0 引言

　　隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)互連已經(jīng)滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)。而網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步也越來(lái)越受到重視，特別是局域網(wǎng)時(shí)間同步在國(guó)家安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的諸多領(lǐng)域(如國(guó)防軍工、電信網(wǎng)、金融業(yè)、交通運(yùn)輸、電子商務(wù)和電力系統(tǒng)等部門(mén))越發(fā)不可或缺。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，嵌入式與網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步技術(shù)的結(jié)合，無(wú)疑具有良好的發(fā)展前景。

　　1 方案設(shè)計(jì)

　　目前網(wǎng)絡(luò)授時(shí)的實(shí)現(xiàn)方法有很多種，本文采用自行設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)并在上面實(shí)現(xiàn)SNTP協(xié)議。從而完成網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(luò)授時(shí)同步服務(wù)器和客戶(hù)端兩大部分，本文主要對(duì)網(wǎng)絡(luò)授時(shí)服務(wù)器部分進(jìn)行研究。

　　在網(wǎng)絡(luò)授時(shí)同步服務(wù)器中，處理器STM32f103由內(nèi)部RTC模塊結(jié)合日歷算法來(lái)給出時(shí)間信息(年月日時(shí)分秒)，再?gòu)腉PS獲取時(shí)間信息，并修正自己的時(shí)間，最后結(jié)合W5100芯片搭建出一個(gè)時(shí)間服務(wù)器。當(dāng)客戶(hù)端向服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求時(shí)，便可同步地統(tǒng)一客戶(hù)端的時(shí)間信息，并達(dá)到ms級(jí)精度。網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)需實(shí)現(xiàn)SNTP應(yīng)用層協(xié)議，設(shè)計(jì)中通過(guò)構(gòu)造SNTP協(xié)議包，并根據(jù)同步算法可計(jì)算出包交換的往返延遲。

　　本系統(tǒng)采用ST公司基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32系列處理器.Cortex-M3內(nèi)核是專(zhuān)門(mén)用于設(shè)計(jì)高性能、低功耗、低成本、實(shí)時(shí)性嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的處理器核，它在提升性能的同時(shí)，又提高了代碼密度的Thumb-2指令集，同時(shí)也大幅度提高了中斷響應(yīng)的緊耦合嵌套向量中斷控制器的性能。所有新功能都同時(shí)具有業(yè)界最優(yōu)的功耗水平。

　　TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)采用的固件芯片W5100是韓國(guó)WIZnet公司推出的固件網(wǎng)絡(luò)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(luò)協(xié)議;同時(shí)支持4個(gè)獨(dú)立的Socket通信，內(nèi)部16 K字節(jié)的發(fā)送/接收緩沖區(qū)可快速進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，最大通信速率可達(dá)到25Mbps。此外，W5100還內(nèi)嵌10BaseT/100BaseTX以太網(wǎng)物理層，可支持自動(dòng)應(yīng)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(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì)，可使微控制器在沒(méi)有操作系統(tǒng)支持的情況下，真正的實(shí)現(xiàn)單芯片接入Internet。

　　2 SNTP協(xié)議分析

　　SNTP即簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議，它是一個(gè)用于局域網(wǎng)子網(wǎng)末端的時(shí)間同步協(xié)議，其要求在操作過(guò)程中只允許存在一個(gè)可靠的同步時(shí)鐘源，是NTP協(xié)議的一個(gè)簡(jiǎn)化版本。

　　2.1 SNTP的同步原理

　　SNTP協(xié)議主要通過(guò)同步算法來(lái)交換時(shí)間服務(wù)器和客戶(hù)端的時(shí)間戳，從而估算出數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)上的往返延遲，進(jìn)而獨(dú)立地估算系統(tǒng)的時(shí)鐘偏差。它的時(shí)間同步原理的傳輸模型如圖2所示。

　　圖2中，T1為客戶(hù)方發(fā)送查詢(xún)請(qǐng)求時(shí)間(以客戶(hù)方時(shí)間系統(tǒng)為參照)，T2為服務(wù)器收到查詢(xún)請(qǐng)求時(shí)間(以服務(wù)器時(shí)間系統(tǒng)為參照)，T3為服務(wù)器回復(fù)時(shí)間信息包時(shí)間(以服務(wù)器時(shí)間系統(tǒng)為參照)，T4為客戶(hù)方收到時(shí)間信息包時(shí)間(以客戶(hù)方時(shí)間系統(tǒng)為參照)，D1為請(qǐng)求信息在網(wǎng)上傳播所消耗的時(shí)間，D2為回復(fù)信息在網(wǎng)上傳播所消耗的時(shí)間。假設(shè)請(qǐng)求和回復(fù)在網(wǎng)上的傳播時(shí)間相同，即：δ1=δ2，則可得出如下公式：

　　式中，θ為客戶(hù)端時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間之差，δ為信息在網(wǎng)上傳播的時(shí)間。可以看到，θ、δ只與T2、T1的差值和T4、T3的差值相關(guān)，而與T2、T3的差值無(wú)關(guān)，即最終的結(jié)果與服務(wù)器處理請(qǐng)求所需的時(shí)間無(wú)關(guān)。據(jù)此，客戶(hù)端(CLIENT)即可通過(guò)T1、T2、T3、T4十算出的時(shí)差0去調(diào)整本地時(shí)鐘。

　　2.2 SNTP協(xié)議格式

　　SNTP消息一般封裝在UDP報(bào)文中，UDP的端口號(hào)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(bào)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(dāng)月最后一天的最終時(shí)刻插入的迫近閨秒(閨秒)。VN表示版本號(hào)。Mode為模式，該字段包括以下值：

　　O(預(yù)留);1(對(duì)稱(chēng)行為);3(客戶(hù)機(jī));4(服務(wù)器);5(廣播);6(NTP控制信息)。Stratum用于對(duì)本地時(shí)鐘級(jí)別的整體識(shí)別。Poll表示有符號(hào)整數(shù)表示連續(xù)信息間的最大間隔。Precision表示有符號(hào)整數(shù)，表示本地時(shí)鐘精確度。Root Delay為有符號(hào)固定點(diǎn)序號(hào)，表示主要參考源的總延遲，如很短時(shí)間內(nèi)的15到16間的分段點(diǎn)。Root Dispersion為無(wú)符號(hào)固定點(diǎn)序號(hào)表示相對(duì)于主要參考源的正常差錯(cuò)，如很短時(shí)間內(nèi)的位15到16間的分段點(diǎn)。

　　Reference Identifier為識(shí)別特殊參考源。Originate Timestamp是向服務(wù)器請(qǐng)求分離客戶(hù)機(jī)的時(shí)間，采用64位時(shí)標(biāo)(Timestamp)格式。 Receive Timestamp是向服務(wù)器請(qǐng)求到達(dá)客戶(hù)機(jī)的時(shí)間。也采用64位時(shí)標(biāo)(Timestamp)格式。Transmit Timestamp是向客戶(hù)機(jī)答復(fù)分離服務(wù)器的時(shí)間。采用64位時(shí)標(biāo)(Timestamp)格式。

　　3 硬件設(shè)計(jì)

　　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(guò)SPI方式通信。通過(guò)對(duì)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(shí)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(shí)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(shí)由MCU訪問(wèn)W5100內(nèi)部寄存器或存儲(chǔ)器;INT為中斷輸出引腳，低電平有效，在W5100在SOCKET端口產(chǎn)生連接、斷開(kāi)、接收數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)發(fā)送完成以及通信超時(shí)等情況下，該引腳將輸出信號(hào)以指示MCU。中斷將在寫(xiě)入中斷寄存器IR或端口的中斷寄存器時(shí)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(hào)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(hào)對(duì)，用于接收從介質(zhì)傳來(lái)的差分?jǐn)?shù)據(jù)，第8和第9引腳是TXOP/TXON信號(hào)對(duì)，用于將差分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送給介質(zhì);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(shí)輸出低電平，而在TX/RX狀態(tài)時(shí)閃爍;第72引腳是接收狀態(tài)LED指示引腳，低電平表示當(dāng)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(dāng)前發(fā)送數(shù)據(jù)，這些LED指示引腳應(yīng)與RJ45的相應(yīng)LED指示燈引腳連接，以用于指示連接狀態(tài)。除電源引腳、時(shí)鐘引腳外，W5100的其它引腳DO～D7，AO～A14及WR～RD可選擇懸空。

　　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(chǎn)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(hào)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(shí)時(shí)精準(zhǔn)地通過(guò)串口把標(biāo)準(zhǔn)的UTC時(shí)間傳送給處理器STM32。

　　4 SNTP服務(wù)器的軟件設(shè)計(jì)

　　SNTP服務(wù)器的軟件設(shè)計(jì)主要可分為兩個(gè)部分：W5100的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)和SNTP協(xié)議的軟件實(shí)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(kù)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(jìn)行傳輸;同時(shí)配置RTC模塊產(chǎn)生秒脈沖，再與日歷算法結(jié)合得到自身的系統(tǒng)時(shí)間，然后通過(guò)GPS的秒脈沖PPS修正系統(tǒng)時(shí)間。再通過(guò)配置W5100公共寄存器和端口寄存器來(lái)完成它的基本設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)信息以及端口存儲(chǔ)器信息的沒(méi)置，使之為UDP服務(wù)器模式。此后，W5100處于*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(cè)到SoekRecvflag發(fā)生改變，則立即開(kāi)始SNTP協(xié)議的解析。

　　接收SNTP協(xié)議包后，便可記錄收到報(bào)文的時(shí)間T2，然后從報(bào)文中解析出時(shí)間戳T1，再將T1、T2封裝成新的報(bào)文進(jìn)行發(fā)送，同時(shí)發(fā)送時(shí)再記錄一個(gè)發(fā)送時(shí)間T3。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　本文基于STM32和W5100搭建了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器硬件平臺(tái)，并在其上實(shí)現(xiàn)了SNTP同步時(shí)間報(bào)文。經(jīng)測(cè)試，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)客戶(hù)端PC機(jī)的時(shí)鐘同步。通過(guò)該系統(tǒng)可有效解決工業(yè)控制等領(lǐng)域的時(shí)間不同步問(wèn)題。