摘 要： 針對實際應(yīng)用中高精度時間同步的需求，需要設(shè)計一種支持多種授時格式的授時服務(wù)器，提出了一種基于UM-220T北斗模塊、ARM處理器和CPLD的時間統(tǒng)一服務(wù)器。該服務(wù)器能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（NTP）和IRIG-B碼協(xié)議。給出了實現(xiàn)過程和測試結(jié)果。
關(guān)鍵詞： 北斗；NTP；IRIG-B；ARM
現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭需要高精度的時間同步。普通的獨立時鐘通過晶振提供信號，晶振的頻率精度和穩(wěn)定性都比較差，一般約為10-4～10-5，每天的累計誤差可達十幾秒，需要定期調(diào)整[1]。對于聯(lián)網(wǎng)的主機，使用網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（NTP）對時，精度高、使用方便[1-2]。但由于武器裝備的特殊性，不方便接入互聯(lián)網(wǎng)，同時很多裝備需要進行機動，無法接入專用網(wǎng)絡(luò)，為滿足時間同步要求，可在系統(tǒng)內(nèi)架設(shè)專用的時間同步服務(wù)器，為系統(tǒng)內(nèi)的眾多主機提供授時服務(wù)。時間同步服務(wù)器需要高精度的時鐘源，導(dǎo)航衛(wèi)星授時精度高、獲取容易、易機動[3]，滿足授時要求。本文基于實際應(yīng)用需求，構(gòu)建以我國自主導(dǎo)航系統(tǒng)——北斗系統(tǒng)為源的時間統(tǒng)一服務(wù)器，能進行系統(tǒng)內(nèi)主機的網(wǎng)絡(luò)對時，同時還可提供IRIG-B碼用于專用設(shè)備對時。
1 NTP和IRIG-B授時協(xié)議
網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議NTP（Network Time Protocol）是互聯(lián)網(wǎng)普遍使用的時間同步協(xié)議，在全世界各地都分布有NTP服務(wù)器，對于聯(lián)網(wǎng)的計算機可以通過NTP協(xié)議進行授時，授時精度對于廣域網(wǎng)可以達到10 ms，對于局域網(wǎng)可以達到250μs[1]。
NTP協(xié)議使用時間戳來進行對時，對于Server/Client模式，設(shè)客戶端發(fā)出請求的時間戳為T1，服務(wù)端接收到的時間戳為T2，服務(wù)端響應(yīng)時間戳為T3，客戶端接收到的時間戳為T4，設(shè)客戶端與服務(wù)器之間的往返時間相同，則服務(wù)器與客戶端的時間偏差θ=[(T2-T1)-(T4-T3)]/2，網(wǎng)絡(luò)延遲σ=[(T2-T1)+(T4-T3)]/2?？蛻舳送ㄟ^時間偏差和網(wǎng)絡(luò)延遲來調(diào)整本地時間。
IRIG-B簡稱B碼，是IRIG串行碼的一種，碼元速率為100 pps，通過碼元的寬度來區(qū)分0、1和參考標志。0、1的寬度分別為2 ms和5 ms，參考標志為8 ms。B碼發(fā)送時、分、秒、天和年，使用BCD碼進行發(fā)送[4]。IRIG-B可以達到比較高的精度，參考文獻[5-6]中采用GPS的1 pps信號進行同步的IRIG-B碼發(fā)生器的前沿精度略微低于1 pps信號。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要包括北斗模塊、ARM系統(tǒng)、CPLD和網(wǎng)絡(luò)接口4個部分。北斗模塊接收北斗衛(wèi)星信號，輸出1 pps和NMEA0183導(dǎo)航授時電文。網(wǎng)絡(luò)接口進行NTP數(shù)據(jù)包的收發(fā)，同時也是系統(tǒng)的控制終端。IRIG-B發(fā)生器通過VHDL在CPLD內(nèi)部實現(xiàn)，與ARM系統(tǒng)通過SPI總線相連，接收ARM系統(tǒng)提供的時鐘信號，在1 pps信號的同步下生成B碼。ARM系統(tǒng)是本系統(tǒng)的核心，運行Linux操作系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上運行功能所需的應(yīng)用程序，包括NTP對時程序和IRIG-B碼發(fā)生器控制程序。
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
系統(tǒng)北斗模塊選用UM220-T，該模塊是和芯星通推出的一款專用于電信、電力、軍事的高精度授時模塊，具有GPS/BD2雙模模式，輸出兼容NMEA0183協(xié)議，在NMEA0183的基礎(chǔ)上增加了北斗專用語句。其1PPS信號的標準差1?滓=20 ns，滿足本應(yīng)用要求。
系統(tǒng)硬件設(shè)計部分主要包括原理圖和PCB的設(shè)計。PCB設(shè)計的主要注意事項包括模擬、數(shù)字電源的隔離、差分線的等長和阻抗匹配。硬件實物圖如圖2所示。
4 軟件設(shè)計
系統(tǒng)的主要功能需通過軟件實現(xiàn)，軟件設(shè)計內(nèi)容主要包括Linux系統(tǒng)移植、NTP服務(wù)器程序的移植、B碼發(fā)生器控制應(yīng)用程序的編寫和IRIG-B碼發(fā)生器的VHDL實現(xiàn)。
4.1 NTP服務(wù)器軟件移植
ntp.org提供和維護一個開源的NTP程序，該源程序功能全面、運行穩(wěn)定，得到了廣泛的應(yīng)用。上文中提到北斗模塊采用兼容的NMEA0183協(xié)議，增加了北斗專用語句。原生NTP程序包不支持北斗專用語句，需對其源代碼進行修改才能使用。
在Linux系統(tǒng)下從www.ntp.org下載源代碼到本地工作目錄，在工作目錄下新建src目錄，將源代碼解壓到src目錄下，打開src/ntp-x.x.x/ntpd/refclock_nmea.c文件，將文件中的如下代碼：
strncmp(cp,"$GPRMC",6)==0…strncmp(cp,"$GPGGA",6)==0…strncmp(cp,"$GPGLL",6)==0…strncmp(cp,"$GPXXX",6)==0
修改為：
strncmp(cp,"$GPRMC",6)==0||strncmp(cp,"$GNRMC",6)==0||strncmp(cp,"$BDRMC",6)==0)
strncmp(cp,"$GPGGA",6)==0||strncmp(cp,"$GNGGA",6)==0||strncmp(cp,"$BDGGA",6)==0)
strncmp(cp,"$GPGLL",6)==0||strncmp(cp,"$GNGLL",6)==0||strncmp(cp,"$BDGLL",6)==0)
strncmp(cp,"$GPXXX",6)==0||strncmp(cp,"$GNXXX",6)==0||strncmp(cp,"$BDXXX",6)==0)
NMEA0138協(xié)議通過每一行的頭來區(qū)分該行數(shù)據(jù)。對NTP源程序修改以增加北斗專用語句頭，"$GNRMC"、"$GNGGA"、"$GNGLL"、"$GNXXX"表示現(xiàn)在是北斗/GPS雙模，"$BDRMC"、"$BDGGA"、"$BDGLL"、"$BD-
XXX"表示現(xiàn)在是北斗單模。對上述修改文件保存退出。在工作目錄下新建編譯腳本，命名為run，內(nèi)容為：
export CC=arm-linux
./configure --host=arm-linux --enable-NMEA
make
保存退出。腳本指定編譯器為arm-linux-gcc，用于ARM平臺的交叉編譯，同時打開NMEA接受支持，用于接收北斗模塊信號。運行腳本，編譯得到目標文件，包括3個文件夾bin、lib、share，把得到的文件拷貝至ARM文件系統(tǒng)相應(yīng)的文件夾內(nèi)。NTP服務(wù)器通過文件/etc/ntp.conf進行配置，配置文件通過server：127:127:20.u 打開NMEA0138作為時鐘源，u是NMEA的參數(shù)設(shè)置，包括串口的波特率和使用NMEA的哪條語句作為時間碼，具體配置參照參考文獻[7]。
測試使用一臺客戶機進行，測試結(jié)果如圖3所示，圖中第1列為服務(wù)器列表，使用國際標準NTP服務(wù)器作為對比，其中GPS_NMEA(0)為本設(shè)計的嵌入式時間同步服務(wù)器，bogon為客戶端本地時鐘，圖中加星號的為系統(tǒng)自動默認選擇的服務(wù)器，從圖中可以看出本服務(wù)器性能理想，滿足授時需求。
4.2 IRIG-B碼發(fā)生器設(shè)計
為滿足系統(tǒng)內(nèi)專用設(shè)備的需求，設(shè)計IRIG-B碼發(fā)生器，把北斗時間碼轉(zhuǎn)換成IRIG-B碼。IRIG-B碼直接采用北斗模塊的1 pps信號作為系統(tǒng)同步時鐘，授時精度與北斗模塊相同。
IRIG-B碼發(fā)生器系統(tǒng)框圖如圖4所示，系統(tǒng)由100 MHz時鐘輸入作為本地時鐘，通過內(nèi)部分頻模塊產(chǎn)生100 Hz和1 kHz的頻率信號，IRIG-B碼時序如圖5所示，其中碼元速率為1 pps，故分頻產(chǎn)生100 Hz信號作為碼元時鐘，脈沖寬度分別為8 ms、2 ms和5 ms，分頻產(chǎn)生1 kHz用于控制脈沖寬度。發(fā)生器通過SPI接口與ARM系統(tǒng)相連，接受ARM系統(tǒng)控制。
ARM系統(tǒng)通過NTP程序使本地時鐘同步于北斗時鐘，另一個進程運行IRIG-B碼發(fā)生器控制程序，在1PPS信號同步下取得本地時鐘，轉(zhuǎn)換成IRIG-B碼格式，通過SPI接口發(fā)送到CPLD內(nèi)部，程序流程圖如圖6所示。
4.3 IRIG-B碼實測結(jié)果
IRIG-B碼發(fā)生器的測試結(jié)果如圖7所示，從圖中可以看出，B碼輸出嚴格同步于1 pps信號，時序符合IRIG-B碼規(guī)范。
采用ARM+CPLD體系構(gòu)建時間統(tǒng)一服務(wù)器，采用Linux和成熟穩(wěn)定的開源程序，降低了系統(tǒng)的開發(fā)難度，提高了系統(tǒng)的可靠性，采用CPLD硬件實現(xiàn)IRIG-B碼發(fā)生器，時序精度高，滿足高精度IRIG-B碼授時要求。目前本裝置已應(yīng)用到實際項目中。
參考文獻
[1] 黃沛芳.基于NTP的高精度時鐘同步系統(tǒng)實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2009，35(7)：122-127.
[2] 宋妍，朱爽.基于NTP的網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)系統(tǒng)的研究[J].計算機工程與應(yīng)用，2003，39(36)：147-149.
[3] 王文瑜.基于北斗衛(wèi)星的授時系統(tǒng)研制[D].北京：北京郵電大學，2008.
[4] Standard I.200-04-IRIG serial time code formats[S]. Timing Committee.Telecommunications and Timing Group. Range Commanders Council，US Army White Sands Missile Range，NM.
[5] 姚軍.利用GPS實現(xiàn)高精度IRIG-B碼的設(shè)計[J].遙測遙控，1997，18(2)：33-37.
[6] 高林，胡永輝，侯雷.基于ARM+FPGA的IRIG-B碼產(chǎn)生器的研制[J].時間頻率學報，2012，35(4)：218-227.
[7] POGO，KELLY W.Generic NMEA GPS receiver[EB/OL].[2013-10-29].http：//www.eecis.udel.edu/~mills/ntp/html/drivers/driver20.html.