汪 劍

(無錫科技職業(yè)學院，江蘇 無錫 214028)

0 引言

在車站、機場等大型公共場所通常需要放置多個時鐘，以方便旅客掌握時間。原來的各個時鐘都是相互獨立的，由于時鐘存在精度誤差，如果不定期調整時鐘顯示，減少誤差。間隔一定時間后，時鐘的誤差可能達到幾分鐘，甚至幾十分鐘，這樣不但不能方便旅客，反而回引起人們的困惑，甚至影響旅客的乘車。后來人們利用RS232總線或RS422總線來調整時鐘經(jīng)度，但由于RS232和RS422的傳輸距離有限，在大型公共場所應用存在一定難度?；贜TP協(xié)議，設計給予NTP協(xié)議的數(shù)字鐘，利用網(wǎng)線將各個時鐘連接到網(wǎng)絡時間服務器上，從而實現(xiàn)顯示時間的精確同步[1]。

1 NTP協(xié)議簡介

NTP協(xié)議是Network Time Protocol的縮寫，最早由美國特拉華大學的米爾斯教授設計實現(xiàn)，它是使使計算機時間同步化的一種協(xié)議，能夠提供高精準度的時間校正，它是開放式系統(tǒng)互聯(lián)參考模型的高層協(xié)議，符合用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）傳輸協(xié)議格式，擁有專用源端口和目標端口123[2]。采用NTP協(xié)議同步系統(tǒng)時鐘有三種工作模式。①對稱模式，兩個以上服務器互相進行時間信息通信，雙方均可為同步對象或者被對方同步；②廣播模式，此種工作模式適用于局域網(wǎng)內部，服務器在固定周期向客戶機主動發(fā)出時間信息，客戶機根據(jù)此時間信息校正系統(tǒng)時鐘；③客戶機服務器模式，客戶機定時向授時服務器請求時間信息，根據(jù)雙方交換的時間信息，實現(xiàn)客戶機與授時服務器時鐘的同步。一個基本的NTP包包括NTP頭和四個時間戳共48字節(jié)，其中NTP頭占16字節(jié)，每個時間戳8字節(jié)。NTP協(xié)議結構如圖1所示。

模式字段定義如下：0－預留；1－對稱行為；3－客戶機；4－服務器；5－廣播；6－NTP 控制信息。在客戶機端發(fā)送請求時將該位添為 3，服務器響應該請求后該位被寫為4。四個時間戳分別代表客戶機收到響應包的時間、發(fā)送請求包的時間、服務器接到請求包的時間和服務器發(fā)送響應包的時間。利用這四個時間戳可以計算出客戶機和服務器之間的時間差，利用該時間差和服務器發(fā)送響應包的時間戳可以計算出本地客戶機時間，修正客戶機時間，使其時間與時間服務器的時間保持一致[3]。

圖1 NTP協(xié)議結構

2 電路實現(xiàn)

2.1 數(shù)字鐘的總體設計

電路實現(xiàn)如圖2所示，電路包括單片機、時鐘芯片、網(wǎng)絡接口、顯示驅動和電源五個部分。由于單片機沒有網(wǎng)絡接口，為了實現(xiàn)NTP服務，采用廣州致遠的ZNE100T網(wǎng)絡接口模塊實現(xiàn)單片機的網(wǎng)絡接口，本地時鐘采用美信的 DS12887芯片，顯示驅動采用奧地利微電子的8通道恒流LED驅動芯片AS1109。

圖2 數(shù)字鐘電路原理

2.2 網(wǎng)絡接口設計

網(wǎng)絡接口部分利用廣州致遠的嵌入式網(wǎng)絡模塊 ZNE100T來實現(xiàn)，該模塊是串行到10M以太網(wǎng)絡轉換模塊，具有傳輸控制協(xié)議（TCP）服務器、傳輸控制協(xié)議客戶端、用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議和組播等作業(yè)模式，組播地址、工作端口、目標網(wǎng)絡互聯(lián)協(xié)議（IP）和端口均可設定，串行口波特率300～115 200 b/s）可設，有23個引腳，管腳定義如表1所示，在本應用中，為了實現(xiàn)單片機的網(wǎng)絡通信，實際上將網(wǎng)絡包轉換為串行數(shù)據(jù)格式，電路連接只需將模塊的1～4腳與RJ45的1、2、3和6腳對應連接，串口發(fā)送和串口接收連接到單片機的串行接口，另外連接電源、地線和指示燈信號即可[4]。

2.3 時鐘芯片

時鐘芯片采用美國美信公司的 DS12887，該芯片內含一個鋰電池，斷電情況運行十年以上不丟失數(shù)據(jù)，可以提供年、月、日、時、分、秒和星期信息，并具有直到 2099年的閏年補償功能。包含4個控制寄存器、10個時鐘寄存器和114個通用寄存器，DS12887出廠時，其內部晶振被關掉，以防止鋰電池在芯片裝入系統(tǒng)前被消耗。寄存器A的BIT4～BIT6為11x時打開晶振，分頻鏈不啟動，為010時打開晶振，分頻鏈啟動，500 ms后時鐘更新，BIT4～BIT6的其它組合都是使晶振關閉。本設計采用 28引腳雙列直插封裝芯片，與單片機的并行口 P0口數(shù)據(jù)通信，片選、地址選通、數(shù)據(jù)選通和讀寫控制RW與單片機的P2口連接[5-6]。

表1 ZNE100T模塊管腳

2.4 顯示驅動

顯示驅動主要由奧地利微電子的AS1109來實現(xiàn)，AS1109通過串行方式與單片機通信，在本設計中，利用單片機的P1口與AS1109實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，每片AS1109可以驅動8個LED，也就是一個七筆段數(shù)碼管，LED驅動電流在0.5～100 mA可設，驅動電流的設定通過改變 15引腳到地之間的電阻值實現(xiàn)。AS1109可以串聯(lián)，這樣不需要單片機額外增加接口就可以驅動多個數(shù)碼管顯示時間。AS1109的最主要優(yōu)點是它具備故障診斷能力，能夠診斷LED的短路、開路和過溫狀態(tài)，通過串行通信方式將狀態(tài)信息發(fā)送到單片機[7]。AS1109管腳如圖3所示。

圖3 AS1109管腳圖

2.5 單片機軟件設計

單片機的主要工作是檢測時鐘芯片的時鐘寄存器，檢測到時間改變后，將時間送到LED顯示，同時讀回LED的狀態(tài)，按設定的時間間隔定期向NTP服務器發(fā)送NTP請求包和LED狀態(tài)，NTP的應答包由單片機中斷處理，當單片機響應中斷后，由四個時間戳計算出本地時鐘時間，由于該時間為1900年1月1日0時0分0秒到現(xiàn)在時刻的時間差，因此需要將該時間轉換為年月日時分秒的形式，將該時間加1 s寫入時鐘芯片，同時根據(jù)時鐘芯片啟動后 500 ms更新的特點，控制時鐘芯片的更新時機，這樣能夠使本地時間基本與NTP服務器的時間同步。

3 結語

利用 ZNE100T嵌入式網(wǎng)絡模塊、DS12887時鐘芯片和AS1109LED驅動芯片設計了一款基于NTP協(xié)議的數(shù)字鐘，該數(shù)字鐘定期向NTP服務器發(fā)送請求包，利用服務器響應包的時間戳可以計算出本地客戶機時間，修正客戶機時間，由于采用NTP網(wǎng)絡協(xié)議，使其時間與NTP服務器的時間保持一致。走時準確，工程安裝便利，同時在監(jiān)控端可以監(jiān)控到連接到該網(wǎng)絡的所有時鐘的時間狀態(tài)、各LED管腳的短路和斷路等狀態(tài)，方便時鐘維護[8-10]。

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