一、引言
在自動駕駛系統運作過程中，多感測器（如相機、光達等）所採集、且具備精準同步時間戳的資料，是支撐高精度感知、定位、決策與路徑規劃的關鍵基礎。因此，在自動駕駛資料採集系統中，感測器與主控平台之間，通常會透過PTP時間同步機制，以確保多感測器之間的硬體層級時間一致性。
然而，在實際與客戶專案對接與系統開發過程中，仍普遍面臨時間同步精度不足、多感測器時間戳不一致、系統部署流程複雜，以及資料品質難以有效控管等問題，使多感測器資料的整合與應用受到限制。
宏虹長期投入多感測器資料採集解決方案的設計與實務應用，於實際協助客戶解決問題的過程中，累積了豐富的時間同步導入與優化經驗。本文將聚焦PTP時間同步協定在感測器與主控平台間的實際應用，分享相關系統架構、實作重點與實務經驗，提供讀者作為導入與評估的參考。
二、相機與工控機的時間同步架構
PTP時間同步架構
以下以相機與工控機之間的PTP時間同步部署為例說明。相機端於資料採集端透過乙太網路介面（支援PTP）進行連線，工控機端則配置對應的乙太網路介面（支援PTP），共同建立以硬體時鐘為基礎的時間同步鏈路。
在多感測器應用情境中，光達設備亦多透過車載乙太網路（支援PTP或gPTP）完成時間同步，使相機、光達與主控平台之間可共用一致的時間基準。此一架構可同時滿足實際部署需求，並對應本文後續說明的相機同步實作方式。
PTP時間同步可概略拆分為以下四個層級：
硬體層
仰賴網卡內建的PHC（Precision Hardware Clock）硬體時鐘，在封包收發的實體層或資料鏈結層進行時間標記，避免因作業系統或應用層延遲影響同步精度。協定層
依據IEEE1588PTP協定，透過Sync／Follow_Up與Delay_Req／Delay_Resp封包，完成主從時鐘同步與鏈路延遲量測，確保時間基準可精準對齊。系統層
透過phc2sys工具，將PHC硬體時鐘同步至Linux系統時鐘（CLOCK_REALTIME），確保作業系統層級的時間基準與PTP硬體時鐘保持一致。應用層
於影像資料接收端，透過Chunk資料機制讀取PTP硬體時間戳，並以int64格式儲存，維持微秒級時間精度，且直接關聯至每一張影像資料。
三、多網口同步設計
在多相機或多感測器應用情境中，工控機通常會透過多個網路介面與各感測器連線。此時，每一個網口皆需各自運行獨立的ptp4l實例。若同步角色與來源設定不當，容易導致多個ptp4l實例同時嘗試成為Master，進而造成時間基準不一致的問題。
為解決上述情況，系統採用系統時鐘中樞同步架構，以Linux系統時鐘作為全系統的統一時間基準，並透過phc2sys工具，實現多網口PHC（Precision Hardware Clock）的層級化同步。
在此架構下，外部時間來源（Grandmaster）首先將時間同步至指定網口的PHC，再由該PHC同步至系統時鐘（CLOCK_REALTIME），形成單一且穩定的時間中心。其餘網口則透過phc2sys，將各自的PHC同步至相同的系統時鐘，確保所有網口與下游感測器共用一致的時間基準。
在實際實作過程中，所有網口的PHC皆會透過phc2sys同步至系統時鐘，以確保全系統時間一致性。各網口對應的ptp4l實例僅負責對下游感測器進行時間同步，並維持其所屬PHC的穩定運作。由於所有PHC最終皆對齊至同一系統時鐘，可有效避免多個ptp4l實例之間產生同步衝突。
此外，phc2sys可透過-wparameters自動取得UTC時間偏移量，無需額外手動設定，可降低人工設定錯誤所導致的時間偏差風險，進一步提升整體同步穩定度。
四、PTP 狀態監控機制
為確保時間同步流程穩定可靠，系統實作完整的PTP狀態監控機制，可即時追蹤各節點的同步狀態與進度，並於同步過程中提供即時回饋與判斷依據。
系統會持續監控PTP狀態轉換流程，包含初始化、校準與正式同步階段，並於達成穩定同步後，確認節點進入可正常運作的狀態。
狀態轉換流程：Initialization → Uncalibrated → Listening → Slave
狀態監控頻率：每10秒檢查一次同步狀態，提供即時回饋
同步等待機制：可設定同步逾時時間（預設120秒），確保感測器具備足夠時間完成同步
診斷資訊輸出：即時顯示PTP同步精度、系統時間、節點ID與同步計數器等關鍵資訊
透過上述監控機制，可在系統啟動與運行階段即時掌握PTP同步狀況，並於同步異常時快速定位問題，提升整體部署穩定度與維運效率。
五、可視化驗證與同步精度評估
為了進一步呈現硬體時間同步效果，在測試過程中，我們將每張影像的時間戳資訊疊加顯示於影像畫面上。採用多網口同步架構後，兩組相機於啟動完成後，皆可正常進入PTP硬體時間同步狀態。隨著系統運行時間增加，影像中的Frame計數亦會持續累加，可觀察到在累計超過1.2W+Frame後，PTP時間同步狀態仍維持穩定。
此外，影響時間同步精度的另一項重要指標為時間偏移量，即系統時鐘（CLOCK_REALTIME）與PHC硬體時鐘之間的時間差異。經實測可觀察到offset（單位：ns）的最大值約為48147ns（約48μs），最小值約為-36840ns（約-37μs），整體波動範圍約為85μs（48μs至-37μs）。在偏移量長時間穩定控制於±50μs以內的情況下，系統時鐘與PHC硬體時鐘之間的同步精度，已可滿足多感測器同步應用需求，因此本同步架構於實際部署中具備可行性。
六、結語
本方案以PTP為核心，建構一套適用於自動駕駛與多感測器資料採集系統的時間同步架構。透過多網口PHC硬體時鐘中樞同步設計，結合phc2sys工具、即時PTP狀態監控與異常處理機制，於實際專案中成功實現微秒級時間同步精度，並有效解決多感測器時間不一致、同步精度不足與系統部署複雜等常見問題。
此外，藉由YAML參數化設定、自動化部署腳本與完整文件化流程，系統可彈性支援從單一相機到多相機、多感測器的擴充需求，顯著降低導入門檻與維運負擔，同時確保系統於長時間運行下仍具備穩定且可驗證的同步表現。
在多感測器系統中，時間同步不僅是功能需求，更直接影響資料可信度與系統可擴展性。若您正規劃或導入多相機、多感測器資料採集系統，並希望在同步精度、系統穩定性與部署效率之間取得平衡，宏虹可依實際應用情境提供架構評估與實務建議，協助您將時間同步從「難以控管的風險」，轉化為「可預期、可驗證的系統基礎」。
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