北斗授时产品（NTP时钟服务器）设计与钻研
北斗授时产品（NTP时钟服务器）设计与钻研

随着信息技术和网络技术的飞速发展，网络互连曾经渗透到国民经济的各行各业。而网络工夫同步也越来越受到重视，特地是局域网工夫同步在国家平安和国民经济的诸多畛域(如国防军工、电信网、金融业、交通运输、电子商务和电力系统等部门)越发不可或缺。随着嵌入式技术的倒退，嵌入式与网络工夫同步技术的联合，无疑具备良好的发展前景。
1、方案设计
目前网络授时的实现办法有很多种，本文采纳自行设计的嵌入式零碎并在下面实现SNTP协定。从而实现网络工夫的同步。其零碎框图如图l所示。

本零碎采纳C／S模型，分为网络授时同步服务器和客户端两大部分，本文次要对网络授时服务器局部进行钻研。
在网络授时同步服务器中，处理器STM32f103由外部RTC模块联合日历算法来给出工夫信息(年月日时分秒)，再从GPS获取工夫信息，并修改本人的工夫，最初联合W5100芯片搭建出一个工夫服务器。当客户端向服务器发出请求时，便可同步地对立客户端的工夫信息，并达到ms级精度。网络传输时需实现SNTP应用层协定，设计中通过结构SNTP协定包，并依据同步算法可计算出包交换的往返提早。
本零碎采纳ST公司基于Cortex-M3内核的STM32系列处理器．Cortex-M3内核是专门用于设计高性能、低功耗、低成本、实时性嵌入式应用零碎的处理器核，它在晋升性能的同时，又进步了代码密度的Thumb-2指令集，同时也大幅度提高了中断响应的紧耦合嵌套向量中断控制器的性能。所有新性能都同时具备业界最优的功耗程度。
TCP／IP协定栈的实现采纳的固件芯片W5100是韩国WIZnet公司推出的固件网络芯片，它集TCP／IP协定栈、以太网MAC和PHY为一体，可反对TCP，UDP、ICMP、IGMP、IPv4、ARP，PPPoE、Ethemet等网络协议；同时反对4个独立的Socket通信，外部16 K字节的发送／接收缓冲区可疾速进行数据交换，最大通信速率可达到25Mbps。此外，W5100还内嵌10BaseT／100BaseTX以太网物理层，可反对自动应答(全双工／半双工模式)，并提供多种总线(两种并行总线和SPI总线)接口方式，能够不便地与各种MCU连贯。W5100器件的推出大大简化了硬件电路设计，可使微控制器在没有操作系统反对的状况下，真正的实现单芯片接入Internet。
2 SNTP协定剖析
SNTP即简单网络工夫协定，它是一个用于局域网子网末端的工夫同步协定，其要求在操作过程中只容许存在一个牢靠的同步时钟源，是NTP协定的一个简化版本。
2．1 SNTP的同步原理
SNTP协定次要通过同步算法来替换工夫服务器和客户端的工夫戳，从而估算出数据包在网络上的往返提早，进而独立地估算零碎的时钟偏差。它的工夫同步原理的传输模型如图2所示。

图2中，T1为客户方发送查问申请工夫(以客户方工夫零碎为参照)，T2为服务器收到查问申请工夫(以服务器工夫零碎为参照)，T3为服务器回复工夫信息包工夫(以服务器工夫零碎为参照)，T4为客户方收到工夫信息包工夫(以客户方工夫零碎为参照)，D1为申请信息在网上流传所耗费的工夫，D2为回复信息在网上流传所耗费的工夫。假如申请和回复在网上的流传工夫雷同，即：1=2，则可得出如下公式：

式中，为客户端工夫与规范工夫之差，为信息在网上流传的工夫。能够看到，、只与T2、T1的差值和T4、T3的差值相干，而与T2、T3的差值无关，即最终的后果与服务器解决申请所需的工夫无关。据此，客户端(CLIENT)即可通过T1、T2、T3、T4十算出的时差0去调整本地时钟。
2．2 SNTP协定格局
SNTP音讯个别封装在UDP报文中，UDP的端口号是123，UDP头中的源端口和目标端口是一样的。SNTP音讯紧跟在IP和UDP报头之后，其协定格局如图3所示。

图3中，U为跳跃指示器，可正告在当月最初一天的最终时刻插入的逼近闺秒(闺秒)。VN示意版本号。Mode为模式，该字段包含以下值：
O(预留)；1(对称行为)；3(客户机)；4(服务器)；5(播送)；6(NTP管制信息)。Stratum用于对本地时钟级别的整体辨认。Poll示意有符号整数示意间断信息间的最大距离。Precision示意有符号整数，示意本地时钟精确度。Root Delay为有符号固定点序号，示意次要参考源的总提早，如很短时间内的15到16间的分段点。Root Dispersion为无符号固定点序号示意绝对于次要参考源的失常过错，如很短时间内的位15到16间的分段点。
Reference Identifier为辨认非凡参考源。Originate Timestamp是向服务器申请拆散客户机的工夫，采纳64位时标(Timestamp)格局。 Receive Timestamp是向服务器申请达到客户机的工夫。也采纳64位时标(Timestamp)格局。Transmit Timestamp是向客户机回答拆散服务器的工夫。采纳64位时标(Timestamp)格局。
3 硬件设计
图4所示为W5100局部的电路图，图中给出了W5100与STM32的连贯形式及其外围电路。

W5100和STM32可通过SPI形式通信。通过对SEN管脚用10 k电阻上拉到高电平可容许SPI模式；因为W5100处于SPI从模式，因而，其SPI工作时钟由处于主模式的STM32提供，MISO和MOSI为用于SPI通信的两条数据线，SCLK为SPI时钟引脚；*为片选引脚，低电平无效，次要用于在并行总线连贯时由MCU拜访W5100外部寄存器或存储器；INT为中断输入引脚，低电平无效，在W5100在SOCKET端口产生连贯、断开、接收数据、数据发送实现以及通信超时等状况下，该引脚将输入信号以批示MCU。中断将在写入中断寄存器IR或端口的中断寄存器时被革除，所有中断都能够被屏蔽。W5100的第5、6、8和9脚是以太网物理层信号引脚，用于与RJ45接口相连接，其中第5和第6引脚是RXIP／RXlN信号对，用于接管从介质传来的差分数据，第8和第9引脚是TXOP／TXON信号对，用于将差分数据发送给介质；第66引脚是连贯LED批示引脚，低电平示意10／100Mbps连贯状态失常，连贯失常时输入低电平，而在TX／RX状态时闪动；第72引脚是接管状态LED批示引脚，低电平示意以后接收数据，第73引脚是发送状态LED批示引脚，低电平示意以后发送数据，这些LED批示引脚应与RJ45的相应LED指示灯引脚连贯，以用于批示连贯状态。除电源引脚、时钟引脚外，W5100的其它引脚DO～D7，AO～A14及WR～RD可抉择悬空。
图5所示是GPS模块与STM32的连贯示意图。GPS接管模块采纳HOLUX生产的GPS模块M87GPS，模块的串行口输入和输出别离接到STM32的输出与输入，秒脉冲PPS信号连贯到处理器的IO口，在秒脉冲(1PPS)同步的状况下，零碎将实时精准地通过串口把规范的UTC工夫传送给处理器STM32。

4 SNTP服务器的软件设计
SNTP服务器的软件设计次要可分为两个局部：W5100的驱动设计和SNTP协定的软件实现。其软件流程图如图6所示。

首先，利用ST公司提供的固件库可初始化STM32的系统配置，把SPI接口配置为两线单向全双工传输、主模式，以8位数据帧的格局进行传输；同时配置RTC模块产生秒脉冲，再与日历算法联合失去本身的零碎工夫，而后通过GPS的秒脉冲PPS修改零碎工夫。再通过配置W5100公共寄存器和端口寄存器来实现它的根本设置、网络信息以及端口存储器信息的没置，使之为UDP服务器模式。尔后，W5100处于*状态，一旦W5100的SOCKET端口有中断事件，W5100将触发STM32的内部中断，STM32若检测到SoekRecvflag产生扭转，则立刻开始SNTP协定的解析。
接管SNTP协定包后，便可记录收到报文的工夫T2，而后从报文中解析出工夫戳T1，再将T1、T2封装成新的报文进行发送，同时发送时再记录一个发送工夫T3。
5 结束语
本文基于STM32和W5100搭建了一个网络服务器硬件平台，并在其上实现了SNTP同步工夫报文。经测试，本零碎运行稳固，并可实现对客户端PC机的时钟同步。通过该零碎可无效解决工业管制等畛域的工夫不同步问题。