任务4.2 消息接口及数据通路介绍-学生手册

任务4.2消息接口及数据通路介绍学生手册任务4.2消息接口及数据通路介绍【任务导入】在智能网联汽车技术领域，执行器和传感器是实现车辆智能化的关键组件。在将执行器和传感器接入MDC（MobileDataCenter）平台时，如何理解和应用执行器和传感器的数据通路及消息接口？并通过时间同步机制确保数据的一致性和准确性？【学习目标】素质目标学习执行器和传感器的数据通路和接入服务应用流程，培养学生严谨认真、精益求精的工匠精神；学习时间同步机制，培养学生的逻辑思维能力；积极激发学生的创新潜能，培养其成为创新驱动型人才。知识目标了解执行器和传感器数据通路基础[K53]；了解接入服务应用流程[K54]；熟悉时间同步机制[K55]。能力目标能讲解执行器和传感器的接入流程[A45]；能讲解信息同步机制[A46]。

【知识准备】执行器和传感器数据通路概览传感器硬件连接示意图MDC平台采用液冷方式散热，主要支持三类连接器，包括低速连接器、车载以太连接器、摄像头连接器，其硬件连接示意图，如图4-2-1所示。图4-2-1传感器硬件连接示意图执行器与传感器的数据通路概览MDC平台的执行器和传感器数据通路如图4-2-2所示，支持的内容有：多种传感器接入MDC支持多种传感器接入包括CANFD（CANwithFlexibleData-Rate）、UART（UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter）、GMSL（GigabitMultimediaSerialLink）和以太接口。CAN类的传感器（Actuator、Radar、GPS/IMU）首先会接入MCU，经过MCU处理后，通过someIP的形式发布到CM（分布式通信网络）上；GMSL类的传感器（camera）通过ISP处理后，最后经过PC连接到Host上，发布到CM上；以太类的传感器（Lidar、Eth-camera）首先连接到LSW（局域网交换机）上，通过LSW把Host和Mini连接到一起，消息处理后同样发布到CM上。多种传感器输出MDC支持多种传感器输出协议，包括CAN和SOME/IP（ScalableService-OrientedMiddlewareoverIP）协议。图4-2-2执行器和传感器数据通路二次开发界面二次开发支持三种模式：（1）抽象模式抽象模式是指传感器数据接入SOC后，按照MDC北向接口定义的消息格式，进行映射后，以topic形式发布到CM。二次开发从CM订阅topic。抽象模式是APP开发者使用起来最方便的模式，但对于不支持传统模式的传感器，则需要透传模式。（2）透传模式一（新增抽象）对于没有支持的传感器型号，用户可按照MDC定义的接口自行新增抽象，可以通过网络协议栈或者MCU透传，发布到CM上的消息订阅，做新增抽象。因为APP仍然从CM上订阅该消息，所以当传感器的型号或者底层代码变更时，APP的处理逻辑不需要变更。（3）透传模式二（用户自定义）该模式是指传感器接入SOC后，用户可以根据自己的需求处理传感器数据。图4-2-3二次开发界面支持的传感器类型MDC平台目前支持的传感器类型，见表4-2-1，该列表MDC目前仍然在更新，新增支持的传感器型号可以通过官网查询。表4-2-1MDC平台支持的传感器类型序号传感器类型数据透传模式支持的传感器型号1LIDAR禾赛Pandar40P2GPS/IMUNovatelPP6D/PP7D、导远570D3RADAR大陆ARS408-214USS无5cameraentron_ar0231、hongiing_imx390、leopard_ar0231_isp、leopard_ar0820、wissen_imx390、jinghua_imx490_isp、jinghua_ar0233_isp、huawei_imx390、sensing_ar0233_isp、sensing_ar0233、sensing_imx390_isp、sensing_imx490_isp、nandou_ov10640_isp若使用的传感器在该列表中，则开发者可以使用上述的抽象模式，直接在CM上订阅即可，大大减少了工作量；若不在该列表中，则开发者还需要对传感器进行抽象。执行器和传感器接入服务应用流程执行器和传感器接入服务流程，如图4-2-4所示。1.传感器/执行器接入首先要将需要开发的传感器接入到MDC610上，做相应的配置。2.代码开发接着进入代码开发阶段，用arxml生成代码框架，然后通过CM订阅传感器数据，订阅到数据后则开始聚焦业务数据的处理。3.编译运行通过MDS工具编译代码，进行本地或在线运行。4.可视化调试通过Mviz等工具进行可视化调试，针对不同的传感器。图4-2-4传感器和执行器接入服务流程MDC时间同步机制1.时间同步在智能驾驶的应用时间同步应用场景：智能驾驶应用基于同一时刻的传感器数据进行融合和决策规划：（1）智能驾驶技术的实现，涉及到感知、规划、执行三个层面。由于车辆行驶在未知动态环境中，需要事先构建出环境地图并在地图中进行自我定位，这其中涉及到各传感器（如GPS，摄像头，毫米波雷达，超声波雷达，激光雷达）数据的精确时间同步，如图4-2-5所示。（2）通过设置唯一的时钟主机（Timemaster）给各类传感器（Timeslave）提供相同的基准时间。但是由于各传感器设备时钟晶振及数据传输路径不同，需要根据提供的基准时间校准各自的时钟时间，实现时间同步。最后根据校准后的时间为采集数据加上时间戳信息，这样就可以保证同一时刻采集相同的环境信息。如图4-2-6所示，在T1时刻，sensor2产生了一个数据，基于时间同步（统一时间基准），查找对应时刻的sensor1和sensor3的数据，而实际查找的方式就是找出与sensor2时间差最近的传感器数据包。图4-2-5传感器时间同步图4-2-6传感器基准时间2.MDC时间同步总体介绍 GNSS作为全局时间源，在实际业务应用中有几个难以克服的困难和问题：因GNSS时间源在自动驾驶过程中随时可能变为不可获得，例如车辆行驶在高架桥底部，隧道，地下停车场等无法获取GNSS信号的环境中；即使在开阔的环境中，GNSS信号有可能被人为的屏蔽、干扰和攻击，导致无法接收或接收到错误的GNSS信号；从GNSS丢失到重新变为跟踪状态的过程中，会出现时间跳变的问题，而时间跳变可能直接影响自动驾驶算法的安全可靠性，甚至导致不可接受的严重交通事故。 MDC设计了管理面时间（UTC）和数据面时间（智能驾驶时间）独立的双时钟模式，以确保智能驾驶时间的高精度、低延迟、长稳定。MDC内部节点支持管理面时间和数据面时间的同步。 如图4-2-7所示，GNSS-CLK管理面时钟为绝对时间，跟随现实世界UTC时间（存在时钟跳变），当GNSS时间可用时，与GNSS时间同步，当GNSS时间不可用时，则依赖板载晶振自运行。GNSS-CLK提供给不参与智能驾驶算法计算的节点（如维测、日志等）使用，内部命名为管理面时钟；OS-CLK数据面时钟为相对时间，SOC系统时钟，完全依赖板载晶振自运行，为了避免时钟跳变，不与GNSS时间同步。OS-CLK提供给参与智能驾驶算法计算的节点（如传感器等）使用，内部命名为数据面时钟。图4-2-7MDC时间同步总体介绍3.MDC与GPS（INS）时间同步 如图4-2-8所示，INS和MDC通过PPS+GPRMC方式进行UTC时间同步，INS作为TimeMaster，MDC作为TimeSlave；GPS（INS）时钟源的PPS端口每秒发送一次硬件脉冲（PPS信号），随后数据端口发送一次对应这个脉冲上升沿的时间信息（GPRMC格式）；MDC设备接收到PPS信号上升沿，并由GPRMC数据解析出正确的时间信息后，会设置管理时间为GPS时间，并保持此时间基准持续累加，来实现和GPS设备的时间同步。图4-2-8MDC与GPS（INS）时间同步4.MDC与激光雷达的时间同步 MDC与激光雷达时间同步有两种方式，交互流程如图4-2-9所示。（1）通过gPTP协议同步时间推荐使用该方式。MDC和激光雷达通过以太网络连接，采用gPTP协议，MDC为TimeMaster，激光雷达为TimeSlave；MDC和激光雷达同步的是数据面时间（即相对时间，非绝对时间）；时间同步精度为250us；MDC和激光雷达定期（默认为125ms）进行时间同步，激光雷达实时更新时间。（2）通过MDCPPS（秒脉冲）+GPRMC方式同步不推荐使用该方式。MDC和激光雷达通过PPS秒脉冲+GPRMC时间数据，组成GPS时间同步方式；MDC和激光雷达同步的是数据面时间；时间同步精度为1ms；实现机制和INS同步UTC时间类似。图4-2-9MDC与激光雷达时间同步方式MDC与摄像头的时间同步MDC和摄像头通过GMSL连接，MDC定时发送触发信号给摄像头，摄像头实时基于触发信号调整曝光时刻（外触发模式）；相机内无法直接记录时间戳，因此相机不采用时间同步的方式，ISP收到完整图像时，在消息头中记录该时刻，其中时刻为数据面时间（即系统时间，非绝对时间）；抽象或者智能驾驶应用收到的图像的报文时，在消息结构体中可获取对应的ISP接收到完整图像的时刻。MDC与摄像头时间同步方式如图4-2-10所示。图4-2-10MDC与摄像头时间同步方式MDC与毫米波雷达的时间同步 MDC和毫米波雷达的连接通路为CAN总线，通常毫米波雷达不支持通过报文进行时间同步；毫米波雷达发送数据到MDC，MDCCAN驱动收到报文后打上接收本地数据面时间戳；MDC运行的传感器抽象针对CAN链路时延，对毫米波雷达的数据进行时延补偿。MDC与毫米波雷达时间同步方式如图4-2-11所示。图4-2-11MDC与毫米波雷达时间同步方式MDC数据面和管理面时间的对齐 智能驾驶场景下，数据面时间和管理面时间不进行同步，保证数据面时间的绝对稳定。车联网和运维的场景，期望数据面时间和管理面时间进行时间同步或者时间相近。为了兼容以上场景，MDC提供按需实现数据面时间对齐管理面时间的命令行工具，方便智能驾驶应用在不影响智能驾驶的场景下，使数据面时间尽量接近管理面时间。命令行工具是按需触发或调用，实现数据面