白杉杉，胡永輝，徐銳

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基于Wi-Fi的NTP無線授時服務器的設計與實現(xiàn)

白杉杉1,2,3，胡永輝1,2，徐銳1,2,3

（1. 中國科學院國家授時中心，西安 710600；2. 中國科學院精密導航定位與定時技術重點實驗室，西安 710600；3. 中國科學院大學，北京 100039）

為滿足需求，給出了一種基于Wi-Fi的NTP無線授時服務器的設計方案。該服務器用GPS作為時間源，將GPS接收機輸出的時間信息傳送給ARM控制器，進行時碼信息的采集與處理，通過Wi-Fi無線收發(fā)模塊將服務器連接到網(wǎng)絡層，并采用NTP協(xié)議實現(xiàn)授時。授時精度在局域網(wǎng)內(nèi)可達到1ms。

ARM控制器；無線保真（Wi-Fi）；網(wǎng)絡時間協(xié)議（NTP）；GPS接收機

0 引言

隨著科學技術的發(fā)展，在一些特定的領域，如分布式的系統(tǒng)管理和監(jiān)控、電力、交通、高速數(shù)字網(wǎng)同步等，往往需要采用統(tǒng)一的時間標準來保證各個節(jié)點之間的相互協(xié)同以及數(shù)據(jù)融合[1]。常用的授時方法主要有無線電授時、衛(wèi)星授時、網(wǎng)絡授時等，其中網(wǎng)絡授時由于實現(xiàn)方便，準確度也較高，日益受到廣大用戶的青睞[2-3]。與此同時，由于無線技術的發(fā)展，以往的有線傳輸方式受到布局布線的影響，已經(jīng)漸漸不能滿足社會發(fā)展的需求。為此，筆者設計了基于Wi-Fi的NTP無線授時服務器，來自GPS的時碼信息經(jīng)過控制器的解調(diào)處理，再通過Wi-Fi無線網(wǎng)絡進行傳輸。在無線接入點（access point）的有效信號覆蓋范圍內(nèi)的用戶，只需通過無線網(wǎng)絡進行時間同步，即可實時接收服務器的數(shù)據(jù)。

1 網(wǎng)絡時間協(xié)議（NTP）

1.1 NTP簡介

NTP（network time protocol）是由美國德拉瓦大學的D. L. Mills教授于1985年提出的，目前采用世界協(xié)調(diào)時UTC（universal time coordinated）作為時間標準[4]。利用NTP除了可以估算封包在網(wǎng)絡上的往返延遲外，還可獨立地估算計算機時鐘偏差，從而實現(xiàn)在網(wǎng)絡上的高精準度計算機校時，NTP是用來在Internet上使不同的設備能維持相同時間的一種通訊協(xié)定。時間服務器（time server）是利用NTP的一種服務器，通過它可以使網(wǎng)絡中的設備維持時間同步。

1.2 NTP授時原理

圖1 NTP授時原理

由以上分析可知：

1.3 NTP的網(wǎng)絡結構

NTP網(wǎng)絡的基本結構采用層次式的分布結構，時間按照NTP服務器的等級傳播，不同等級的時間精度不同，基本結構如圖2所示。層（stratum）的取值范圍是0~15，層的數(shù)值越小，優(yōu)先級越高，層的值表達了節(jié)點距特定時鐘源的距離，層的數(shù)值越大，時間精度越低，所以一般NTP的層數(shù)都很少。第0層被規(guī)定為原子鐘、GPS等高精度的時鐘源，第1層為整個NTP系統(tǒng)最頂層的服務器，直接同步到第0層的時鐘，同時向第2層提供時間服務，依次類推，直到最后一層。除了第1層和最底層外，每層服務器既是上一層服務器的客戶端，又是下一層的服務器端。

圖2 NTP網(wǎng)絡層狀結構

2 系統(tǒng)構成

NTP授時服務器的硬件組成框圖如圖3所示。系統(tǒng)以ARM微處理器（STM32F103RCT6）作為控制器，包括3個模塊，分別是衛(wèi)星接收模塊、無線通信模塊、控制模塊。衛(wèi)星接收模塊主要負責接收衛(wèi)星傳送的時間源及秒信號，無線通訊模塊負責與以太網(wǎng)連接，將時碼信息通過NTP協(xié)議發(fā)送給客戶端，控制模塊負責將衛(wèi)星接收模塊和無線通訊模塊送來的數(shù)據(jù)進行解算處理。

圖3 系統(tǒng)硬件組成框圖

2.1 衛(wèi)星接收模塊

原子鐘雖然精度很高，但成本較高，因此采用GPS作為NTP授時服務器的時間源。全球定位系統(tǒng)提供全天候的授時定位服務，它在衛(wèi)星上裝載了高精度的銫原子鐘，可在全球范圍內(nèi)提供精確的UTC時間信息。GPS接收機通過天線接收衛(wèi)星的信息，可以向用戶提供與UTC高度同步的秒脈沖信號及秒脈沖所對應的日期和時間信息。

2.2 無線通信模塊

無線通信模塊用來實現(xiàn)控制模塊與無線局域網(wǎng)的互聯(lián)和數(shù)據(jù)傳輸，由于無線保真技術（Wi-Fi）應用廣泛，且網(wǎng)絡傳輸穩(wěn)定可靠，所以采用Wi-Fi無線通信模塊來實現(xiàn)與網(wǎng)絡層的連接。

本設計采用WizFi210芯片作為無線通信模塊的主控芯片, 該芯片可以為其它的設備和系統(tǒng)提供一種快速、簡單和高性價比的方法來增加無線Wi-Fi功能。WizFi210支持的數(shù)據(jù)速率可達到11Mbit/s，與IEEE802.11b協(xié)議兼容，采用DSSS（直接序列擴頻）方式調(diào)制，芯片具有串行UART接口，可以通過AT指令連接到任何8/16/32位的嵌入式系統(tǒng)中。

2.3 控制模塊

控制模塊是整個服務器的核心，是連接其他各個模塊的橋梁。它主要負責與無線收發(fā)模塊及GPS接收機模塊進行通信和分析處理接收到的數(shù)據(jù)，得到所需的時碼信息，并在接收到客戶端請求后，將時碼信息通過Wi-Fi收發(fā)模塊發(fā)送給客戶端。鑒于ARM微處理器具有數(shù)據(jù)處理速度快、接口豐富、存儲空間大等眾多優(yōu)點，本設計選擇了基于ARM架構的RISC系列處理器STM32F103RCT6作為整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和控制的核心。

2.3.1 GPS定時

1）GPS時間源的獲取

本設計采用了GPS接收機模塊所接收的時間信息作為外部時間源，它通過串口對外輸出來自衛(wèi)星的導航電文，并為用戶提供1 PPS秒脈沖信號。雖然接收機模塊所提供的秒脈沖信號來自GPS系統(tǒng)，精度可達到100 ns或更高，但是所提供的時間信號只到秒級，這樣低的分辨率遠遠無法滿足系統(tǒng)的要求。鑒于上述情況，設計中使用一個高精度的時鐘計數(shù)器來獲取秒級以下的精確時間。如圖4所示，先通過STM32系統(tǒng)分頻獲得一個10kHz的頻率源，再通過定時器TIMx的計數(shù)器功能完成對10kHz脈沖個數(shù)的計數(shù)，來獲取秒級以下的精確時間，最后以GPS接收機的1 PPS信號作為計數(shù)器的控制信號，每接收到一個秒脈沖信號將計數(shù)器清一次零，這樣即可精確到100μs級。

將第1次GPS接收機獲取的時碼信息與高精度時鐘計數(shù)器輸出的精確時間相結合，以后每次接收到秒脈沖后將原時碼信息加1 s，即可輸出精度為1 ms的精確時間。

圖4 GPS時間源獲取原理圖

2）GPS數(shù)據(jù)接收

GPS衛(wèi)星接收機模塊采用的是NMEA-0183標準數(shù)據(jù)格式進行數(shù)據(jù)傳輸[6]。NMEA-0183標準數(shù)據(jù)格式中包含的語句很多，其中$GPRMC語句中含有UTC時間信息和日期，因此通過解調(diào)$GPRMC語句來獲取UTC時碼信息。軟件流程圖如圖5所示，在接收之前，系統(tǒng)首先對串口進行初始化配置，以匹配接收機，開啟串口中斷，開始接收數(shù)據(jù)。然后檢測接收到的字符，當收到幀頭$GPRMC時，存儲數(shù)據(jù)，若收到結束符“ ”，校驗數(shù)據(jù)是否完整，若不完整則返回，如數(shù)據(jù)信息完整，則調(diào)用GPS解碼程序，并判斷數(shù)據(jù)有效位是否為“A”，如果是，則解析出時間信息及日期，然后校正本地時鐘，使服務器與UTC時間同步。

圖5 GPS解碼流程圖

2.3.2 NTP協(xié)議的軟件實現(xiàn)

NTP協(xié)議的幀格式如圖6所示[7-8]。

注：LI（leap indicator）：對當日發(fā)生的跳躍（閏秒）的最后一分鐘發(fā)出警告，插入或者刪除1s；VN（version number）：表示NTP的版本號；Mode：表示NTP工作模式；Stratum：表示服務器的階層數(shù)；Poll：表示相繼兩個消息間的最大間隔；Precision：用來表示本地時鐘的準確性；Root Delay：表示到主要時間源往返的時間延遲；Root Dispersion：表示相對于主要時間參考源的最大差錯；Reference Identifier：用來識別特殊的參考時間源；Reference Timestamp：本地時鐘最后被設定或校正的時間；Originate Timestamp：Client對Server發(fā)出請求的本地時間；Receive Timestamp：請求到達Server的本地時間。

圖7 NTP服務器軟件流程圖

3 測試結果與分析

采用TimeAcc-007時間精度綜合測試儀對NTP時間服務器實驗板的授時精度進行測量。TimeAcc-007時間精度綜合測試儀與GPS衛(wèi)星接收機進行時間同步后，通過內(nèi)置銣鐘進行本地守時，產(chǎn)生精確的UTC時間信息并與NTP時間服務器實驗板輸出的UTC時間信息進行比對。測試平臺連接如圖8所示。

圖8 測試平臺連接圖

本次測試采用1 s的時間間隔，在局域網(wǎng)中TimeAcc-007時間精度綜合測試儀向NTP時間服務器實驗板發(fā)出時間同步請求，并對時間偏差數(shù)據(jù)進行采集，截取其中的1 600次數(shù)據(jù)進行分析。圖9給出了NTP時間服務器實驗板與TimeAcc-007時間精度綜合測試儀的時間偏差分析結果。

圖9 NTP時間服務器時差分析結果

從圖9中分析結果可以得到，NTP時間服務器實驗板與TimeAcc-007時間精度綜合測試儀進行校時時，時間偏差的均值為0.259 ms，均方差為1.136 ms。由此可見，該NTP無線授時服務器實驗板在局域網(wǎng)中的授時精度基本達到了1 ms。

4 結語

本文闡述了基于Wi-Fi的NTP無線授時服務器的研究與設計過程。采用Wi-Fi無線模塊實現(xiàn)了無線局域網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸，并通過NTP協(xié)議完成對客戶端的校時工作，同時GPS接收機為時間的準確性提供了有效的保障。本文所設計的服務器性能穩(wěn)定可靠，集成度高，免去了普通授時服務器布局布線的困擾，實現(xiàn)方便，具有較好的應用推廣價值。

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Design and implementation of NTP wireless time server based on Wi-Fi

BAI Shan-shan1,2,3, HU Yong-hui1,2, XU Rui1,2,3

(1. National Time Service Centre, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;2. Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology, National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China)

This paper presents a design of NTP wireless time server based on Wi-Fi for meeting the needs. In this time server, the GPS is adopted as time source, the data acquired by the GPS receiver is sent to the ARM controller, the time code information is acquired and processed by the ARM controller, and the time server is linked to the network layer via the Wi-Fi wireless transceiver module. The time server completes the time service with the NTP protocol, and the time service precision can reach 1ms within the local network.

ARM controller; Wi-Fi; NTP; GPS receiver

TP29

A

1674-0637(2013)04-0229-07

2012-12-29

中國科學院“西部之光”人才培養(yǎng)計劃重點資助項目（Y001YR1601）

白杉杉，女，碩士，主要從事授時方法與技術研究。