基于STM32的SNTP授時(shí)服務(wù)器的研究與設(shè)計(jì)

摘要：針對工控領(lǐng)域?qū)r(shí)間同步的要求，給出了以STM32和W5100為核心來搭建網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)，并在其上實(shí)現(xiàn)簡單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(SNTP)，從而建立嵌入式授時(shí)服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步。
關(guān)鍵詞：STM32處理器；SNTP授時(shí)；簡單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議；時(shí)間同步

O 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)滲透到國民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)。而網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步也越來越受到重視，特別是局域網(wǎng)時(shí)間同步在國家安全和國民經(jīng)濟(jì)的諸多領(lǐng)域(如國防軍工、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)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)器和客戶端兩大部分，本文主要對網(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)合日歷算法來給出時(shí)間信息(年月日時(shí)分秒)，再從GPS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)客戶端向服務(wù)器發(fā)出請求時(shí)，便可同步地統(tǒng)一客戶端的時(shí)間信息，并達(dá)到ms級精度。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)核是專門用于設(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器件的推出大大簡化了硬件電路設(shè)計(jì)，可使微控制器在沒有操作系統(tǒng)支持的情況下，真正的實(shí)現(xiàn)單芯片接入Internet。[!--empirenews.page--]

2 SNTP協(xié)議分析
    SNTP即簡單網(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(shí)間服務(wù)器和客戶端的時(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為客戶方發(fā)送查詢請求時(shí)間(以客戶方時(shí)間系統(tǒng)為參照)，T2為服務(wù)器收到查詢請求時(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為客戶方收到時(shí)間信息包時(shí)間(以客戶方時(shí)間系統(tǒng)為參照)，D1為請求信息在網(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?？梢钥吹?，θ、δ只與T2、T1的差值和T4、T3的差值相關(guān)，而與T2、T3的差值無關(guān)，即最終的結(jié)果與服務(wù)器處理請求所需的時(shí)間無關(guān)。據(jù)此，客戶端(CLIENT)即可通過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(對稱行為)；3(客戶機(jī))；4(服務(wù)器)；5(廣播)；6(NTP控制信息)。Stratum用于對本地時(shí)鐘級別的整體識(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為無符號(hào)固定點(diǎn)序號(hào)表示相對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)。[!--empirenews.page--]
    Reference Identifier為識(shí)別特殊參考源。Originate Timestamp是向服務(wù)器請求分離客戶機(jī)的時(shí)間，采用64位時(shí)標(biāo)(Timestamp)格式。  Receive Timestamp是向服務(wù)器請求到達(dá)客戶機(jī)的時(shí)間。也采用64位時(shí)標(biāo)(Timestamp)格式。Transmit Timestamp是向客戶機(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(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、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，用于接收從介質(zhì)傳來的差分?jǐn)?shù)據(jù)，第8和第9引腳是TXOP／TXON信號(hào)對，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。[!--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(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GPS的秒脈沖PPS修正系統(tǒng)時(shí)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(shè)置、網(wǎng)絡(luò)信息以及端口存儲(chǔ)器信息的沒置，使之為UDP服務(wù)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(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
    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)測試，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，并可實(shí)現(xiàn)對客
戶端PC機(jī)的時(shí)鐘同步。通過該系統(tǒng)可有效解決工業(yè)控制等領(lǐng)域的時(shí)間不同步問題。