摘要：針對工控領域對時間同步的要求，給出了以STM32和W5100為核心來搭建網(wǎng)絡硬件平臺，并在其上實現(xiàn)簡單網(wǎng)絡時間協(xié)議(SNTP)，從而建立嵌入式授時服務器的設計與實現(xiàn)方法。該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠實現(xiàn)網(wǎng)絡時間同步。
關鍵詞：STM32處理器；SNTP授時；簡單網(wǎng)絡時間協(xié)議；時間同步
O 引言
隨著信息技術和網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡互連已經滲透到國民經濟的各行各業(yè)。而網(wǎng)絡時間同步也越來越受到重視，特別是局域網(wǎng)時間同步在國家安全和國民經濟的諸多領域(如國防軍工、電信網(wǎng)、金融業(yè)、交通運輸、電子商務和電力系統(tǒng)等部門)越發(fā)不可或缺。隨著嵌入式技術的發(fā)展，嵌入式與網(wǎng)絡時間同步技術的結合，無疑具有良好的發(fā)展前景。
1 方案設計
目前網(wǎng)絡授時的實現(xiàn)方法有很多種，本文采用自行設計的嵌入式系統(tǒng)并在上面實現(xiàn)SNTP協(xié)議。從而完成網(wǎng)絡時間的同步。其系統(tǒng)框圖如圖l所示。
本系統(tǒng)采用C／S模型，分為網(wǎng)絡授時同步服務器和客戶端兩大部分，本文主要對網(wǎng)絡授時服務器部分進行研究。
在網(wǎng)絡授時同步服務器中，處理器STM32f103由內部RTC模塊結合日歷算法來給出時間信息(年月日時分秒)，再從GPS獲取時間信息，并修正自己的時間，最后結合W5100芯片搭建出一個時間服務器。當客戶端向服務器發(fā)出請求時，便可同步地統(tǒng)一客戶端的時間信息，并達到ms級精度。網(wǎng)絡傳輸時需實現(xiàn)SNTP應用層協(xié)議，設計中通過構造SNTP協(xié)議包，并根據(jù)同步算法可計算出包交換的往返延遲。
本系統(tǒng)采用ST公司基于Cortex-M3內核的STM32系列處理器．Cortex-M3內核是專門用于設計高性能、低功耗、低成本、實時性嵌入式應用
系統(tǒng)的處理器核，它在提升性能的同時，又提高了代碼密度的Thumb-2指令集，同時也大幅度提高了中斷響應的緊耦合嵌套向量中斷控制器的性能。所有新功能都同時具有業(yè)界最優(yōu)的功耗水平。
TCP／IP協(xié)議棧的實現(xiàn)采用的固件芯片W5100是韓國WIZnet公司推出的固件網(wǎng)絡芯片，它集TCP／IP協(xié)議棧、以太網(wǎng)MAC和PHY為一體，可支
持TCP，UDP、ICMP、IGMP、IPv4、ARP，PPPoE、Ethemet等網(wǎng)絡協(xié)議；同時支持4個獨立的Socket通信，內部16 K字節(jié)的發(fā)送／接收緩沖區(qū)可
快速進行數(shù)據(jù)交換，最大通信速率可達到25Mbps。此外，W5100還內嵌10BaseT／100BaseTX以太網(wǎng)物理層，可支持自動應答(全雙工／半雙工
模式)，并提供多種總線(兩種并行總線和SPI總線)接口方式，可以方便地與各種MCU連接。W5100器件的推出大大簡化了硬件電路設計，可使微控制器在沒有操作系統(tǒng)支持的情況下，真正的實現(xiàn)單芯片接入Internet。[!--empirenews.page--]
2 SNTP協(xié)議分析
SNTP即簡單網(wǎng)絡時間協(xié)議，它是一個用于局域網(wǎng)子網(wǎng)末端的時間同步協(xié)議，其要求在操作過程中只允許存在一個可靠的同步時鐘源，是
NTP協(xié)議的一個簡化版本。
2．1 SNTP的同步原理
SNTP協(xié)議主要通過同步算法來交換時間服務器和客戶端的時間戳，從而估算出數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡上的往返延遲，進而獨立地估算系統(tǒng)的時鐘偏差。它的時間同步原理的傳輸模型如圖2所示。
圖2中，T1為客戶方發(fā)送查詢請求時間(以客戶方時間系統(tǒng)為參照)，T2為服務器收到查詢請求時間(以服務器時間系統(tǒng)為參照)，T3為服務器回復時間信息包時間(以服務器時間系統(tǒng)為參照)，T4為客戶方收到時間信息包時間(以客戶方時間系統(tǒng)為參照)，D1為請求信息在網(wǎng)上傳播所消耗的時間，D2為回復信息在網(wǎng)上傳播所消耗的時間。假設請求和回復在網(wǎng)上的傳播時間相同，即：δ1=δ2，則可得出如下公式：
式中，θ為客戶端時間與標準時間之差，δ為信息在網(wǎng)上傳播的時間?？梢钥吹?，θ、δ只與T2、T1的差值和T4、T3的差值相關，而與T2、T3的差值無關，即最終的結果與服務器處理請求所需的時間無關。據(jù)此，客戶端(CLIENT)即可通過T1、T2、T3、T4十算出的時差0去調整本地時鐘。
2．2 SNTP協(xié)議格式
SNTP消息一般封裝在UDP報文中，UDP的端口號是123，UDP頭中的源端口和目的端口是一樣的。SNTP消息緊跟在IP和UDP報頭之后，其協(xié)
議格式如圖3所示。
圖3中，U為跳躍指示器，可警告在當月最后一天的最終時刻插入的迫近閨秒(閨秒)。VN表示版本號。Mode為模式，該字段包括以下值：
O(預留)；1(對稱行為)；3(客戶機)；4(服務器)；5(廣播)；6(NTP控制信息)。Stratum用于對本地時鐘級別的整體識別。Poll表示有符號整
數(shù)表示連續(xù)信息間的最大間隔。Precision表示有符號整數(shù)，表示本地時鐘精確度。Root Delay為有符號固定點序號，表示主要參考源的總延遲，如很短時間內的15到16間的分段點。Root Dispersion為無符號固定點序號表示相對于主要參考源的正常差錯，如很短時間內的位15到16間的分段點。[!--empirenews.page--]
Reference Identifier為識別特殊參考源。Originate Timestamp是向服務器請求分離客戶機的時間，采用64位時標(Timestamp)格式。 Receive Timestamp是向服務器請求到達客戶機的時間。也采用64位時標(Timestamp)格式。Transmit Timestamp是向客戶機答復分離服務器的時間。采用64位時標(Timestamp)格式。
3 硬件設計
圖4所示為W5100部分的電路圖，圖中給出了W5100與STM32的連接方式及其外圍電路。
W5100和STM32可通過SPI方式通信。通過對SEN管腳用10 kΩ電阻上拉到高電平可允許SPI模式；由于W5100處于SPI從模式，因此，其SPI工作時鐘由處于主模式的STM32提供，MISO和MOSI為用于SPI通信的兩條數(shù)據(jù)線，SCLK為SPI時鐘引腳；*****為片選引腳，低電平有效，主要用于在并行總線連接時由MCU訪問W5100內部寄存器或存儲器；INT為中斷輸出引腳，低電平有效，在W5100在Socket端口產生連接、斷開、接收數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)發(fā)送完成以及通信超時等情況下，該引腳將輸出信號以指示MCU。中斷將在寫入中斷寄存器IR或端口的中斷寄存器時被清除，所有中斷都可以被屏蔽。W5100的第5、6、8和9腳是以太網(wǎng)物理層信號引腳，用于與RJ45接口相連接，其中第5和第6引腳是RXIP／RXlN信號對，用于接收從介質傳來的差分數(shù)據(jù)，第8和第9引腳是TXOP／TXON信號對，用于將差分數(shù)據(jù)發(fā)送給介質；第66引腳是連接LED指示引腳，低電平表示10／100Mbps連接狀態(tài)正常，連接正常時輸出低電平，而在TX／RX狀態(tài)時閃爍；第72引腳是接收狀態(tài)LED指示引腳，低電平表示當前接收數(shù)據(jù)，第73引腳是發(fā)送狀態(tài)LED指示引腳，低電平表示當前發(fā)送數(shù)據(jù)，這些LED指示引腳應與RJ45的相應LED指示燈引腳連接，以用于指示連接狀態(tài)。除電源引腳、時鐘引腳外，W5100的其它引腳DO～D7，AO～A14及WR～RD可選擇懸空。[!--empirenews.page--]
圖5所示是GPS模塊與STM32的連接示意圖。GPS接收模塊采用HOLUX生產的GPS模塊M87GPS，模塊的串行口輸出和輸入分別接到STM32的輸入與輸出，秒脈沖PPS信號連接到處理器的IO口，在秒脈沖(1PPS)同步的情況下，系統(tǒng)將實時精準地通過串口把標準的UTC時間傳送給處理器STM32。
4 SNTP服務器的軟件設計
SNTP服務器的軟件設計主要可分為兩個部分：W5100的驅動設計和SNTP協(xié)議的軟件實現(xiàn)。其軟件流程圖如圖6所示。
首先，利用ST公司提供的固件庫可初始化STM32的系統(tǒng)配置，把SPI接口配置為兩線單向全雙工傳輸、主模式，以8位數(shù)據(jù)幀的格式進行傳
輸；同時配置RTC模塊產生秒脈沖，再與日歷算法結合得到自身的系統(tǒng)時間，然后通過GPS的秒脈沖PPS修正系統(tǒng)時間。再通過配置W5100公共
寄存器和端口寄存器來完成它的基本設置、網(wǎng)絡信息以及端口存儲器信息的沒置，使之為UDP服務器模式。此后，W5100處于監(jiān)聽狀態(tài)，一旦
W5100的SOCKET端口有中斷事件，W5100將觸發(fā)STM32的外部中斷，STM32若檢測到SoekRecvflag發(fā)生改變，則立即開始SNTP協(xié)議的解析。
接收SNTP協(xié)議包后，便可記錄收到報文的時間T2，然后從報文中解析出時間戳T1，再將T1、T2封裝成新的報文進行發(fā)送，同時發(fā)送時再記錄一個發(fā)送時間T3。
5 結束語
本文基于STM32和W5100搭建了一個網(wǎng)絡服務器硬件平臺，并在其上實現(xiàn)了SNTP同步時間報文。經測試，本系統(tǒng)運行穩(wěn)定，并可實現(xiàn)對客
戶端PC機的時鐘同步。通過該系統(tǒng)可有效解決工業(yè)控制等領域的時間不同步問題。
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