基於STM32的SNTP授時伺服器的研究與設計

摘要：針對工控領域對時間同步的要求，給出了以STM32和W5100為核心來搭建網路硬體平臺，並在其上實現簡單網路時間協議(SNTP)，從而建立嵌入式授時伺服器的設計與實現方法。該系統執行穩定，能夠實現網路時間同步。
關鍵詞：STM32處理器；SNTP授時；簡單網路時間協議；時間同步

O 引言
    隨著資訊科技和網路技術的飛速發展，網路互連已經滲透到國民經濟的各行各業。而網路時間同步也越來越受到重視，特別是區域網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、金融業、交通運輸、電子商務和電力系統等部門)越發不可或缺。隨著嵌入式技術的發展，嵌入式與網路時間同步技術的結合，無疑具有良好的發展前景。

1 方案設計
    目前網路授時的實現方法有很多種，本文采用自行設計的嵌入式系統並在上面實現SNTP協議。從而完成網路時間的同步。其系統框圖如圖l所示。

    本系統採用C／S模型，分為網路授時同步伺服器和客戶端兩大部分，本文主要對網路授時伺服器部分進行研究。
    在網路授時同步伺服器中，處理器STM32f103由內部RTC模組結合日曆演算法來給出時間資訊(年月日時分秒)，再從GPS獲取時間資訊，並修正自己的時間，最後結合W5100晶片搭建出一個時間伺服器。當客戶端向伺服器發出請求時，便可同步地統一客戶端的時間資訊，並達到ms級精度。網路傳輸時需實現SNTP應用層協議，設計中通過構造SNTP協議包，並根據同步演算法可計算出包交換的往返延遲。
    本系統採用ST公司基於Cortex-M3核心的STM32系列處理器．Cortex-M3核心是專門用於設計高效能、低功耗、低成本、實時性嵌入式應用
系統的處理器核，它在提升效能的同時，又提高了程式碼密度的Thumb-2指令集，同時也大幅度提高了中斷響應的緊耦合巢狀向量中斷控制器的效能。所有新功能都同時具有業界最優的功耗水平。
    TCP／IP協議棧的實現採用的韌體晶片W5100是韓國WIZnet公司推出的韌體網路晶片，它集TCP／IP協議棧、乙太網MAC和PHY為一體，可支
持TCP，UDP、ICMP、IGMP、IPv4、ARP，PPPoE、Ethemet等網路協議；同時支援4個獨立的Socket通訊，內部16 K位元組的傳送／接收緩衝區可
快速進行資料交換，最大通訊速率可達到25Mbps。此外，W5100還內嵌10BaseT／100BaseTX乙太網物理層，可支援自動應答(全雙工／半雙工
模式)，並提供多種匯流排(兩種並行匯流排和SPI匯流排)介面方式，可以方便地與各種MCU連線。W5100器件的推出大大簡化了硬體電路設計，可使微控制器在沒有作業系統支援的情況下，真正的實現單晶片接入Internet。[!--empirenews.page--]

2 SNTP協議分析
    SNTP即簡單網路時間協議，它是一個用於區域網子網末端的時間同步協議，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協議的一個簡化版本。
2．1 SNTP的同步原理
    SNTP協議主要通過同步演算法來交換時間伺服器和客戶端的時間戳，從而估算出資料包在網路上的往返延遲，進而獨立地估算系統的時鐘偏差。它的時間同步原理的傳輸模型如圖2所示。

    圖2中，T1為客戶方傳送查詢請求時間(以客戶方時間系統為參照)，T2為伺服器收到查詢請求時間(以伺服器時間系統為參照)，T3為伺服器回覆時間資訊包時間(以伺服器時間系統為參照)，T4為客戶方收到時間資訊包時間(以客戶方時間系統為參照)，D1為請求資訊在網上傳播所消耗的時間，D2為回覆資訊在網上傳播所消耗的時間。假設請求和回覆在網上的傳播時間相同，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為資訊在網上傳播的時間。可以看到，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，即最終的結果與伺服器處理請求所需的時間無關。據此，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協議格式
    SNTP訊息一般封裝在UDP報文中，UDP的埠號是123，UDP頭中的源埠和目的埠是一樣的。SNTP訊息緊跟在IP和UDP報頭之後，其協
議格式如圖3所示。

    圖3中，U為跳躍指示器，可警告在當月最後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，該欄位包括以下值：
O(預留)；1(對稱行為)；3(客戶機)；4(伺服器)；5(廣播)；6(NTP控制資訊)。Stratum用於對本地時鐘級別的整體識別。Poll表示有符號整
數表示連續資訊間的最大間隔。Precision表示有符號整數，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於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是向伺服器請求分離客戶機的時間，採用64位時標(Timestamp)格式。  Receive Timestamp是向伺服器請求到達客戶機的時間。也採用64位時標(Timestamp)格式。Transmit Timestamp是向客戶機答覆分離伺服器的時間。採用64位時標(Timestamp)格式。

3 硬體設計
    圖4所示為W5100部分的電路圖，圖中給出了W5100與STM32的連線方式及其外圍電路。

    W5100和STM32可通過SPI方式通訊。通過對SEN管腳用10 kΩ電阻上拉到高電平可允許SPI模式；由於W5100處於SPI從模式，因此，其SPI工作時鐘由處於主模式的STM32提供，MISO和MOSI為用於SPI通訊的兩條資料線，SCLK為SPI時鐘引腳；*****為片選引腳，低電平有效，主要用於在並行匯流排連線時由MCU訪問W5100內部暫存器或儲存器；INT為中斷輸出引腳，低電平有效，在W5100在Socket埠產生連線、斷開、接收資料、資料傳送完成以及通訊超時等情況下，該引腳將輸出訊號以指示MCU。中斷將在寫入中斷暫存器IR或埠的中斷暫存器時被清除，所有中斷都可以被遮蔽。W5100的第5、6、8和9腳是乙太網物理層訊號引腳，用於與RJ45介面相連線，其中第5和第6引腳是RXIP／RXlN訊號對，用於接收從介質傳來的差分資料，第8和第9引腳是TXOP／TXON訊號對，用於將差分資料傳送給介質；第66引腳是連線LED指示引腳，低電平表示10／100Mbps連線狀態正常，連線正常時輸出低電平，而在TX／RX狀態時閃爍；第72引腳是接收狀態LED指示引腳，低電平表示當前接收資料，第73引腳是傳送狀態LED指示引腳，低電平表示當前傳送資料，這些LED指示引腳應與RJ45的相應LED指示燈引腳連線，以用於指示連線狀態。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模組與STM32的連線示意圖。GPS接收模組採用HOLUX生產的GPS模組M87GPS，模組的序列口輸出和輸入分別接到STM32的輸入與輸出，秒脈衝PPS訊號連線到處理器的IO口，在秒脈衝(1PPS)同步的情況下，系統將實時精準地通過串列埠把標準的UTC時間傳送給處理器STM32。

4 SNTP伺服器的軟體設計
    SNTP伺服器的軟體設計主要可分為兩個部分：W5100的驅動設計和SNTP協議的軟體實現。其軟體流程圖如圖6所示。

    首先，利用ST公司提供的韌體庫可初始化STM32的系統配置，把SPI介面配置為兩線單向全雙工傳輸、主模式，以8位資料幀的格式進行傳
輸；同時配置RTC模組產生秒脈衝，再與日曆演算法結合得到自身的系統時間，然後通過GPS的秒脈衝PPS修正系統時間。再通過配置W5100公共
暫存器和埠暫存器來完成它的基本設定、網路資訊以及埠儲存器資訊的沒置，使之為UDP伺服器模式。此後，W5100處於監聽狀態，一旦
W5100的SOCKET埠有中斷事件，W5100將觸發STM32的外部中斷，STM32若檢測到SoekRecvflag發生改變，則立即開始SNTP協議的解析。
    接收SNTP協議包後，便可記錄收到報文的時間T2，然後從報文中解析出時間戳T1，再將T1、T2封裝成新的報文進行傳送，同時傳送時再記錄一個傳送時間T3。

5 結束語
    本文基於STM32和W5100搭建了一個網路伺服器硬體平臺，並在其上實現了SNTP同步時間報文。經測試，本系統執行穩定，並可實現對客
戶端PC機的時鐘同步。通過該系統可有效解決工業控制等領域的時間不同步問題。

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