基于PTP实现主机与相机系统时钟同步功能

一、PTP简介

PTP概览： PTP是一种网络时间同步协议，设计用于实现局域网络中设备间的高精度时间同步，通常能达到亚微秒乃至纳秒级的同步精度。它主要服务于对时间同步有严格要求的应用场景，如金融交易、电信网络、科学研究、工业自动化等。
核心特点：

• 硬件级实现：PTP利用网络接口卡（NIC）的硬件时间戳功能直接在数据链路层（MAC层）进行时间戳标记，减少了操作系统和协议栈带来的延迟，提升了同步精度。
• 主从架构：网络中存在一个或多个主时钟（通常通过Best Master Clock算法选举），其他设备作为从时钟，根据主时钟的信号调整自己的时间。
• 时间延迟补偿：PTP协议通过测量和补偿消息的传播延迟，包括往返时间（Round Trip Time, RTT）的计算，来精确调整从时钟的时间。
• PTPv2（IEEE 1588-2008）：相较于最初的PTPv1，PTPv2增加了对多种时钟类型的支持、改善了时钟模型、增强了时间戳机制，并引入透明时钟（Transparent Clocks）概念，进一步提高了同步精度。

PTP作为一种高精度时间同步技术，能够实现亚微秒乃至约30纳秒的精准同步，但这需要网络中的交换机等节点具备PTP支持，以确保纳秒级的同步精度。尽管传统的NTP能满足多数应用场景，提供大约5毫秒内的时钟同步，非极高端需求外，PTP并非标配之选，因其对硬件和网络配置有着更高要求。
PTP协议在IEEE 1588标准中定义，主要通过两种方式在网络中传输数据包：

• 基于以太网的数据链路层（MAC层）直接封装：这是PTPv2推荐的方式之一，允许时间同步消息直接在数据链路层传输，绕过了网络层（IP）和传输层（TCP/UDP），从而减少延迟和抖动。这种方式下，PTP报文类型和时间戳在MAC层处理，减少了操作系统和协议栈引入的不确定性。
• 基于UDP/IP的承载：当直接MAC层传输不可行或不适用时，PTP可以利用UDP/IP协议作为传输载体。PTP事件消息（如Sync和Follow_Up）通常使用UDP端口319，而PTP通用（或普通）消息（如Delay_Req和Delay_Resp）使用UDP端口320。这种方式虽然方便与现有网络基础设施集成，但由于经过了完整的网络协议栈，可能引入更多的时延和不确定性，降低了同步精度。

而想要在UDP上承载PTP，需要确保网络设备（如交换机和终端设备）能够支持PTP，并正确配置网络接口以使用UDP端口转发PTP消息。在软件层面，可以利用编程语言（如C、C++、Python或Go）中的网络编程库来发送和接收这些UDP数据包，并根据PTP协议规范处理时间戳和同步算法。

二、工业相机PTP功能支持

海康工业网口相机支持PTP时钟同步功能，可以通过PTP协议，实现多场景的高精度时间戳同步，例如：多个工业相机之间、工业相机与主机时间、工业相机与硬件授时模块（北斗/GPS授时服务器）等.
海康相机可以通过简单的参数配置，在参数配置Transport layer下启用IEEE 1588 V2（即PTP v2）功能，通过设置相机为主时钟（Master）或从时钟（Slave），并利用交换机等网络设备实现纳秒级的同步拍照。因此，在适当的网络配置下，海康工业相机能够利用PTP功能满足对时间同步有严格要求的应用场景。

海康工业相机支持的PTP状态模式如下：

• Master（主钟态）: 成为Master的PTP设备承担起为网络中的其他设备提供时间基准的责任。它会定期广播时间同步消息（Sync）和对准消息（Follow_Up），帮助网络中的Slave设备与其时间保持一致。Master通常由网络中的设备基于Best Master Clock (BMC)算法选举产生，考虑到了时钟的精度、稳定性等多种因素。
• Slave（从钟态）: 当一个PTP设备确定自身应遵循网络中的另一台设备（即Master）作为时间参考时，它会转变为Slave状态。在此状态下，设备会积极接收来自Master的同步和跟随（Delay_Resp）消息，通过这些信息调整自己的时间，以尽量减小与Master之间的时间偏差，实现精确的时间同步。
• Uncalibrated（未校准态）: 当一个PTP时钟刚开始运行或刚被重置时，它通常处于未校准态。在这个状态下，时钟尚未完成与网络中其他时钟的对齐过程，因此其时间和频率的准确性无法保证。设备在这一阶段主要是在收集网络信息、识别其他PTP设备，并准备进入更高级的状态进行时间同步。
• Passive（被动态）: 被动态是指PTP时钟虽然监听网络上的同步和对准消息，但并不参与主时钟的选择过程，也不进行任何时间调整。它是一个观察者角色，可能用于监控网络状况或准备进入Slave或Master状态而不立即参与同步过程。
  需要注意的是，这些状态之间的转换是动态的，依据设备的性能、网络条件以及PTP协议的内部机制来决定。PTP协议的设计旨在通过这些状态的有序变迁，确保网络中的所有时钟能够高效、准确地达到时间同步

三、工业相机时间戳介绍

工业相机中的时间戳是一种记录图像获取精确时刻的功能，它是工业视觉系统和高精度测量应用中的核心要素。以下是对工业相机时间戳的详细介绍：

3.1基本概念

时间戳指的是附着在每一帧图像数据上的时间信息，通常表示相对于相机内部时钟的相对时间（非UTC时间）。这个时间戳使得用户可以准确知道每幅图像的捕获时间，对于需要精确同步多相机系统、分析动态过程或与外部事件关联的应用至关重要。
a) 实现机制

• 硬件时间戳：工业相机通常内置高精度振荡器（如温补晶振、铷钟或铯钟）来生成时间基准，确保即使在没有外部时间源的情况下也能维持较高的时间精度。图像传感器在捕获图像的同时，硬件直接在图像数据包中嵌入时间戳，这种机制减少了软件处理的延迟，提高了时间记录的即时性和准确性。
• 软件时间戳：在一些应用场景中，时间戳也可以通过软件方式在图像数据处理链路的后期添加。虽然这种方法简便，但由于涉及到软件处理流程，相较于硬件时间戳可能会引入额外的延迟。
  b) 精度与同步
  工业相机的时间戳精度可达到微秒甚至纳秒级，这对于需要极高时间分辨率的应用（如高速运动分析、机器视觉引导的机器人操作）至关重要。
  为了在多相机系统中实现精确同步，可以使用诸如 Precision Time Protocol (PTP) 或 GenICam的Time Stamp over Ethernet (ToE) 功能，通过网络基础设施（交换机网络）来同步所有相机的时间基准。
  c) 应用场景
  • 生产制造：在自动化装配线中，时间戳帮助追踪每个部件通过各个检查点的确切时间，用于质量控制和过程优化。
  • 运动捕捉：在体育分析、生物力学研究中，高精度时间戳确保了动作的精确计时和分析。
  • 科学研究：如天文观测、粒子物理实验中，时间戳对于精确记录和分析瞬时事件至关重要。
  • 安全监控：在安全和监控应用中，时间戳是事件重建和证据记录的关键。

3.2海康工业相机时间戳介绍

海康工业相机支持多种途径获取相机内部时间戳，主要分类如下：

• 相机参数时间戳：用户主动读取相机参数TimestampValue，获取访问当前参数时刻的相机内部时间戳
• 图像嵌入式时间戳：产生图像前，相机内部自动记录时间，通过嵌入到图像帧信息内部，方便用户获取
• Event事件时间戳：记录相机内部各种事件时刻的时间戳

三种类型的时间戳，都是基于相机内部时钟产生相对时间，由硬件晶振生成时间基准，开始时间一般为相机上电时刻

3.2.1相机参数时间戳

3.2.2图像嵌入式时间戳

图像嵌入式时间戳，用于记录相机的拍照时刻。
通常需要结合sdk接口，在_MV_FRAME_OUT_INFO_EX_帧信息结构体获取得到；

也可以通过Wireshark抓包，获取相机的图像数据流GVSP包，在leader头包中获取；

3.2.3相机event事件时间戳

海康工业相机支持多种事件，每一种事件产生，都会有时间戳记录

在MVS中，设置操作方法：

1. 在相机参数中，开启所要选择的事件，以Exposure Start事件为例
   
2. 开始相机取流曝光，在事件监视器中，获取事件信息
   

3.2.4各种时间戳的时序关系

以相机常用的时间戳为例，梳理了下工业相机比较场景的时间戳关系，以相机相对时间为基准，具体如下图：

3. Line0RisingEdge:触发信号通过line0给到相机
4. FrameStart：图像输出开始
5. nDevTimeStamp：时间戳打包到leader包时刻
6. ExposureStart：sensor开始曝光时刻
7. ExposureEnd：sensor结束曝光时刻
8. nHoststamp: 图像头包到达主机时间，主机时间，非相机时间戳
9. FrameEnd：相机端图像输出结束

3.2.5通过工业相机SDK获取相机时间戳

1. 事件时间戳

// ch:开启相机Event功能 | en:Set Event  On
char const *nEvent_ID[]={"Line0RisingEdge","FrameStart","FrameEnd", "ExposureStart","ExposureEnd"};
for(int i=0;i<sizeof(nEvent_ID)/sizeof(nEvent_ID[0]);i++)
{
	nRet = MV_CC_SetEnumValueByString(handle, "EventSelector",nEvent_ID[i]);
	if (MV_OK != nRet)
	{
		printf("Set Event Selector fail! nRet [0x%x],nEvent_ID:%d\n", nRet,i);
	}
	nRet = MV_CC_SetEnumValueByString(handle, "EventNotification", "On");
	if (MV_OK != nRet)
	{
		printf("Set Event Notification fail! nRet [0x%x]\n", nRet);
	}
	// ch:注册event事件回调函数
	nRet = MV_CC_RegisterEventCallBackEx(handle, nEvent_ID[i],EventCallBack, handle);
	if (MV_OK != nRet)
	{
		printf("Register Event CallBack fail! nRet [0x%x]\n", nRet);
	}	
}		

相机事件配置与事件回调函数注册

void __stdcall EventCallBack(MV_EVENT_OUT_INFO * pEventInfo, void* pUser)
{
    if (pEventInfo)
    {
        int64_t nBlockId = pEventInfo->nBlockIdHigh;
        nBlockId = (nBlockId << 32) + pEventInfo->nBlockIdLow;
        int64_t nTimestamp = pEventInfo->nTimestampHigh;
        nTimestamp = (nTimestamp << 32) + pEventInfo->nTimestampLow;
		printf("EventName[%s],Timestamp[" "%" PRIu64 "]\n",pEventInfo->EventName,nTimestamp);
    }
}

事件回调函数内部处理

2. 图像时间戳

void __stdcall ImageCallBackEx(unsigned char * pData, MV_FRAME_OUT_INFO_EX* pFrameInfo, void* pUser)
{
	uint64_t m_DevTimeStamp=0;//设备产生图像的时间
	int64_t  m_HostTimeStamp =0;//图像头包到达主机时间
    if (pFrameInfo)
    {
		m_DevTimeStamp = pFrameInfo->nDevTimeStampHigh;
		m_DevTimeStamp = (m_DevTimeStamp << 32)+pFrameInfo->nDevTimeStampLow;
		m_HostTimeStamp=pFrameInfo->nHostTimeStamp;
		printf("GetOneFrame, Width[%d], Height[%d], nFrameNum[%d],nDevTimeStamp[" "%" PRIu64 "],nHostTimeStamp[" "%" PRIu64 "]\n",
		pFrameInfo->nWidth, pFrameInfo->nHeight, pFrameInfo->nFrameNum,m_DevTimeStamp,m_HostTimeStamp);
    }
}

通过回调函数取流并通过帧信息结构体中获取nDevTimeStamp、nHoststamp
3. 相机参数时间戳获取

//获取相机当前时间戳
//仅网口相机支持
MVCC_INTVALUE_EX nGevTimestampValue;
nRet = MV_CC_SetCommandValue(handle, "GevTimestampControlLatch");
if (MV_OK != nRet)
{
	printf("Gev TimestampControlLatch fail! nRet [%x]\n", nRet);
	//break; 
}else
{
	nRet = MV_CC_GetIntValueEx(handle,"GevTimestampValue",&nGevTimestampValue);
	if (MV_OK == nRet)
	{
		printf("Get GevTimestampValue =  [%lld] Success!\n",(long long)nGevTimestampValue.nCurValue);
	}
}

四、通过PTPD实现主机与相机系统时钟同步

4.1 ptpd服务部署

参考文章：ptpd安装部署
ptpd开源链接：github
ptpd通常指的是实现Precision Time Protocol (PTP) 协议的守护进程，用于在计算机网络中提供高精度的时间同步服务；

1. 查看网卡与ip

1|sudo apt-get install net-tools
2|ifconfig

2、查看网卡支持项

1|sudo apt-get install ethtool
2|sudo ethtool -T ens33

软件时间戳需要包括参数

SOF_TIMESTAMPING_SOFTWARE
SOF_TIMESTAMPING_TX_SOFTWARE
SOF_TIMESTAMPING_RX_SOFTWARE

硬件时间戳需要包括参数

SOF_TIMESTAMPING_RAW_HARDWARE
SOF_TIMESTAMPING_TX_HARDWARE
SOF_TIMESTAMPING_RX_HARDWARE

3. 查看NTP（网络时间同步）状态，并关闭

timedatectl  status
sudo timedatectl set-ntp false

4. ptpd安装部署

sudo apt-get install ptpd

5. 选定主机网卡ens33，开启ptpd作为主时钟master

sudo ptpd -M -i ens33

开启ptpd后，可在进程中发现ptpd相关进程

6. 主机作为从时钟（相机或其他设备作为主设备）

sudo ptpd -g -i ens33

注：步骤4和5加入-C参数的话，会在前台运行，并打印输出，如在主时钟端：

例：sudo ptpd -M -C -i ens33

7. 关闭进程
测试结束时，可直接使用kill命令，结束进程中的ptpd，恢复NTP服务

sudo pkill ptpd
sudo timedatectl set-ntp true

4.2 PTP时钟同步测试

PTP时钟同步，可以搭配不同的硬件有多种Master、Slave组合，如下表所示

本文主要基于PTPD介绍表格中第一种情况，即Ubuntu主机，作为Master、工业相机作为Slave模式
测试方法：

1. Ubuntu开启Master模式

sudo ptpd -M -i ens33

2. 工业相机开启1588模式
   
3. 使用工业相机时间戳，测试同步效果如下
   
   按照时间维度，对时间戳进行排序与计算

HostTimeStamp与相机的各种时间戳时间单位基本一致
关闭ptpd进程服务，相机断电重新测试

sudo pkill ptpd

关闭ptpd服务后，主机时间nHostTimeStamp不与相机时间同步

其他：

1. 如需实现工业相机与工业相机之间PTP同步，只需要选定一台相机做master，先开启1588参数使能接口，其他相机后开启，会自动协商成slave模式；如需实现1588触发同步功能，建议参考海康工业相机ActionCommand功能
2. 如需在windows上实现ptpd等类似功能，需要找能够在windows上运行的ptp开源项目；或者使用硬件设备作为master，相机只需要作为slave在windows上面运行
   测试代码基于ubuntu 系统，海康工业相机示例程序Grab_ImageCallback修改，可自行下载测试