问题背景

在数据采集任务中，设备运行 Ubuntu 20.04 系统采集 ROS bag 数据。由于处于离线状态，仅依靠本地时钟赋予时间戳，导致时间不同步，影响数据融合。为此，配备 GPS 授时模块，利用 PPS 信号进行高精度授时，确保数据时间戳同步，保障数据融合的准确性。
硬件设备：

• 树莓派4B， Ubuntu 20.04
• GPS授时模块

硬件连接

硬件连接实物图如下图所示。

树莓派做一个获取GPS时间的NTP服务器文章中采用uart0主串口连接GPS模块的TX和RX引脚，并且需要禁用蓝牙。然而经过试验对于安装ubuntu系统的树莓派来说并不适用。配置完成后开机总是卡在UBoot界面，无法正常开机。如下所示：

starting USB...
No working controllers found
Hit any key to stop autoboot: 0
U-Boot>

这是因为Ubuntu 引导过程由 U-Boot 控制，U-Boot 默认监听串口（GPIO14/15）并响应字符输入，GPS 模块在开机瞬间发出NMEA协议的串口信号，触发了 U-Boot 的命令行模式，导致无法正常引导。

查阅资料发现，相比树莓派零、1、2 以及 3 的双串口 UART0（PL011）和 UART1（mini UART），树莓派4 中新增了 4 个 PL011 串口共计有 6 个 UART（参考链接）。因此，我们可以使用uart2串口。参考链接中同时提到：

UART2 对应 TXD2 和 RXD2，对应树莓派针脚GPIO0 和 GPIO1，对应ubuntu系统内串口名称 /dev/ttyAMA1。

具体接线如下(加粗表示笔者实物采用的连接)：

GPS 模块引脚	树莓派 GPIO	引脚编号（物理）	说明
RXD	GPIO0	Pin 27	树莓派接收（UART TX）
TXD	GPIO1	Pin 28	树莓派接收（UART RX）
PPS	GPIO18	Pin 12	PPS 中断信号（可选）
GND	GND	Pin 6 / 9 / 14 等	接地
VCC	3.3V 或 5V	Pin 1 或 PIN 2	根据模块规格供电（很重要）

配置串口

我们知道，GPS模块通过串口输出NMEA消息和PPS脉冲两路信号来实现授时，因此在系统中也需要配置这两路串口：

编辑/boot/firmware/usercfg.txt

sudo gedit /boot/firmware/usercfg.txt

• 添加如下内容，扩展设备树（Device Tree）的硬件配置，作用是启用系统中的串口接口uart2，将引脚GPIO 18 配置为 PPS 信号输入端口：

dtoverlay=uart2
dtoverlay=pps-gpio,gpiopin=18

• 重启系统，使修改生效

sudo reboot

测试NMEA串口信息

• 重启系统后，终端运行：

ls -l /dev/ttyAMA*

终端输出/dev/ttyAMA1。这就是前面所述uart2对应的系统内串口名称。

• 运行：

cat /dev/ttyAMA1

终端输出NMEA数据流，表示NMEA串口连接正常。

测试PPS信号

• 测试pps串口是否接通

ls -l /dev/pps*

终端输出/dev/pps0，表示该串口接收PPS脉冲信号。

• 安装pps-tools，并测试PPS脉冲信号

sudo apt install pps-tools
sudo ppstest /dev/pps0

正常情况下，终端输出下图所示的脉冲序列，表示PPS串口连接正常。

安装gpsd和chrony工具

安装并配置gpsd

• 安装

sudo apt-get install gpsd gpsd-clients python3-gps -y

• 编辑配置文件

sudo gedit /etc/default/gpsd

配置内容如下：

# Devices gpsd should collect to at boot time.
# They need to be read/writeable, either by user gpsd or the group dialout.
START_DAEMON="true"
GPSD_OPTIONS="-n"
DEVICES="/dev/ttyAMA1 /dev/pps0"
USBAUTO="false"
GPSD_SOCKET="/var/run/gpsd.sock"

# Other options you want to pass to gpsd
GPSD_OPTIONS=""

• 编辑服务文件

sudo gedit /lib/systemd/system/gpsd.service

更改：将After=chronyd.servic改为Before=chronyd.servic

• 重新加载服务

sudo systemctl daemon-reload 
sudo systemctl restart gpsd.service

• 测试

cgps

正常情况下，终端输出下图所示内容：

安装并配置chrony

• 安装

sudo apt-get install chrony

• 编辑配置文件

sudo gedit /etc/chrony/chrony.conf

在配置文件末尾添加如下内容：

refclock SHM 0 poll 4 refid GPS precision 1e-1 offset 0.9999 delay 0.2
refclock PPS /dev/pps0 poll 4 refid PPS

• 重新加载服务

sudo systemctl daemon-reload 
sudo systemctl restart chrony.service

• 设置为开机启动

sudo systemctl enable gpsd.service chrony.service

• 测试

watch -n1 chronyc sources -v
watch -n1 chronyc sourcestats -v

结果如下，#* PPS表示正在使用PPS授时：