STM32模拟GPS输出PPS、GPRMC与VLP16时钟同步

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• 1.VLP16与GPS相关的管脚：
• 2.利用GPS信息完成时间同步 TimeSynchronization
• 3.查找同步关系
• 4.修改ROS代码
• 结论

1.VLP16与GPS相关的管脚：

1. GPS-RECEIVE
   接收GPS的GPRMC语句，注意是RS232电平(high 3-15V，low 1.2V以下)，如TTL电平输出需要进行信号反转，没有RS232芯片的可以使用反相电路。
2. GPS PULSE
   接收GPS的PPS信号，上升沿触发持续10us-200ms，与下一个PPS要大于300ms以上
   
3. GROUND
   信号地

2.利用GPS信息完成时间同步 TimeSynchronization

1. VLP16的TOH时间戳
   VLP16有一个用于记录着TOH(top of hour)的定时器，默认根据VLP16的内部时钟自加累积，当收到一个有效的PPS信号时，会把每一个PPS的上升沿与TOH对齐，在data/position数据包里都会存在4个Byte的TOH时间戳。TOH的结构分为’TOH number of minutes and seconds‘和 ’sub-second‘，时间戳分为秒和微秒。这个4Byte能记录的最大时间是3,599,999,999μs，也就是最多能记录一小时的时间戳。
2. TOH时间戳结构
   sub-second：无PPS时定时器使用内部时钟给sub-second赋值，当检测到有效的PPS信号时，sub-second会在每一秒的PPS上升沿到来时进行调整。
   minutes and seconds：当接受到有效GPRMS数据时，由GPRMS里的时间戳进行调整，如果没有收到GPRMS时也会每秒自加。
   注意：当GPS突然显示无效定位时，此时由VLP16内部时钟接管驱动sub-second，就会出现一些偏移量。
3. GPS GPRMC含义
   实例：GPRMC,161050.00,A,3042.94310,N,10358.95564,E,0.057,020513,A*7A
   $GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*hh
   <1> UTC时间，hhmmss.sss(时分秒.毫秒)格式
   <2> 定位状态，A=有效定位，V=无效定位
   <3> 纬度ddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也将被传输)
   <4> 纬度半球N(北半球)或S(南半球)
   <5> 经度dddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也将被传输)
   <6> 经度半球E(东经)或W(西经)
   <7> 地面速率(000.0~999.9节，前面的0也将被传输)
   <8> 地面航向(000.0~359.9度，以正北为参考基准，前面的0也将被传输)
   <9> UTC日期，ddmmyy(日月年)格式
   <10> 磁偏角(000.0~180.0度，前面的0也将被传输)
   <11> 磁偏角方向，E(东)或W(西)
   <12> 模式指示(仅NMEA0183 3.00版本输出，A=自主定位，D=差分，E=估算，N=数据无效)
4. web配置参数含义
   – PPS:Lock
   当VLP16检测到一个稳定持续的PPS信号，会在web页面显示“PPS: Locked”以及在 position packet at offset 0xF4的位置写入0x02。
   – PPS Qualifier：Require GPS Receiver Valid
   On：VLP16在使用PPS上升沿给sub-second调整时，首先验证GPS是否提供了有效的位置信息，检测定位状态(A=有效定位，V=无效定位)是否为A
   – PPS Qualifier：Require PPS Lock
   On：VLP16将会使用Delay值的周期去鉴定PPS信号是否有效
   OFF：VLP16会有两个周期去鉴定PPS信号是否有效
   – Delay值
   单位秒，值0-65535，默认5秒，它的作用是有一个{Delay}秒的滚动窗口不断地去检测PPS的有效性，在开始检测时PPS被认定为不稳定模式(free-running)，由内部时钟驱动sub-second，当检测PPS稳定后由PPS的上升沿驱动sub-second
   – GPS Qualifier
   On：当GPS有效时，将会由接收的GPRMC来调整TOH的minutes and seconds值
   OFF：将会由接收的GPRMC来调整TOH的minutes and seconds值，不会去检测GPS定位状态(A=有效定位，V=无效定位)
   
   

3.查找同步关系

1. STM32模拟GPS发送消息
   通过STM32定时器从GPIO输出1HZ的PPS脉冲，示波器检测GPIO的上升沿jitter抖动在5us左右。从PPS上升沿开始，200ms之后发送GPRMC数据，在264ms之后数据传速完毕。
   
2. 抓取数据计算时间同步关系
   
   – 上图wireshark抓取几秒的位置包，每秒内的位置包大概100多包，左侧红线中4Byte为TOH时间戳(0x96 84 77 27->2525.263655s)
   – 右侧红线是stm32模拟发送的GPRMC时间004205(00时42分05秒->2525s)，与TOH的秒级时间对应
   – 下表是通过记录每次GPRMC改变时的集合：
     1.秒级：TOH的秒级部分是与GPRMC的秒级时间相同
     2.sub秒级：TOH的sub秒级部分大概都在264ms左右，对比示波器从PPS上升沿到GPRMC数据发完的时间264ms左右。VLP16所发送的UDP位置包中，每当GPRMC更新时，根据TOH时间戳往前(sub-second)的时间就是上一次PPS所到达的时间，从而使VLP16的时间与Stm32的时间建立时间同步关系。
   

4.修改ROS代码

1. velodyne_driver下的gps_time_为是否用GPS信息，同时需要修改velodyne_pointcloud的GPS_TIME为true，然后catkin_make运行
   
   

结论

1. 关系：根据header的时间戳