王明，侯雷，王昕

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便攜式NTP測(cè)試儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王明1,2,3，侯雷1,2,4，王昕1,2,4

（1. 中國科學(xué)院 國家授時(shí)中心，西安 710600；2. 中國科學(xué)院 精密導(dǎo)航定位與定時(shí)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4.中國科學(xué)院 時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600）

傳統(tǒng)的NTP測(cè)試儀體積大、功耗高，并且無法滿足遠(yuǎn)距離的測(cè)量，所以需要開發(fā)一款便攜式NTP測(cè)試儀，以能夠攜帶方便、運(yùn)行穩(wěn)定、適用于各種環(huán)境，同時(shí)能對(duì)NTP時(shí)間服務(wù)器的授時(shí)精度進(jìn)行有效檢測(cè)。根據(jù)系統(tǒng)功能及性能要求，系統(tǒng)方案采用ARM＋FPGA的組合架構(gòu)，利用嵌入式技術(shù)，采用模塊化設(shè)計(jì)思想完成設(shè)計(jì)開發(fā)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的便攜式NTP測(cè)試儀的測(cè)量精度可優(yōu)于0.1ms，滿足較高的工程需求。

便攜式；NTP測(cè)試儀；ARM；FPGA

0 引言

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)在各個(gè)領(lǐng)域都有很重要的應(yīng)用，尤其是在某些特殊的場合，由于條件限制無法接入互聯(lián)網(wǎng)或?yàn)榱藢?shí)現(xiàn)信息保密，局域網(wǎng)內(nèi)的計(jì)算機(jī)無法通過互聯(lián)網(wǎng)的授時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)獲得準(zhǔn)確的UTC時(shí)間，但又需要對(duì)局域網(wǎng)內(nèi)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一時(shí)間配置，這就需要用到NTP時(shí)間服務(wù)器，因此，NTP時(shí)間服務(wù)器的精確度決定了其所屬網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)計(jì)算機(jī)的定時(shí)精確度。網(wǎng)絡(luò)上的時(shí)間傳遞，采用的是網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議NTP（network time protocol，NTP）[1]，時(shí)間源來源于NTP時(shí)間服務(wù)器，其自身的時(shí)間源根據(jù)NTP協(xié)議中的時(shí)鐘參考標(biāo)識(shí)符來確定，時(shí)間源通常有原子鐘、GPS/北斗（BD）、長波/短波授時(shí)系統(tǒng)等[2]。

網(wǎng)絡(luò)授時(shí)技術(shù)已經(jīng)深入各個(gè)領(lǐng)域，并且不同環(huán)境中的NTP服務(wù)器同樣需要定期或不定期性能指標(biāo)的檢測(cè)和標(biāo)定。例如，在NTP時(shí)間服務(wù)器出廠時(shí)，為了提高其授時(shí)精度，必須對(duì)它進(jìn)行標(biāo)定，消除系統(tǒng)誤差；在對(duì)電力系統(tǒng)中的NTP服務(wù)器檢修時(shí)，需要對(duì)不同野外環(huán)境的NTP服務(wù)器進(jìn)行測(cè)量，確保電力系統(tǒng)的時(shí)間統(tǒng)一；在進(jìn)行聯(lián)合作戰(zhàn)指揮時(shí)，需要對(duì)不同戰(zhàn)場的NTP服務(wù)器進(jìn)行檢測(cè)，保證各指揮部之間時(shí)間的統(tǒng)一；在金融領(lǐng)域，需要對(duì)不同地區(qū)的NTP服務(wù)器進(jìn)行測(cè)量，保障各個(gè)交易系統(tǒng)的時(shí)間統(tǒng)一。

NTP時(shí)間服務(wù)器作為網(wǎng)絡(luò)時(shí)間的源頭，其性能指標(biāo)至關(guān)重要，新生產(chǎn)的NTP時(shí)間服務(wù)器必須經(jīng)過嚴(yán)格測(cè)試、標(biāo)定后才能投放市場，否則未經(jīng)測(cè)試的NTP時(shí)間服務(wù)器的授時(shí)精度會(huì)有偏差，另外，在某些環(huán)境中，NTP服務(wù)器需要進(jìn)行長時(shí)間的工作，一些外部或內(nèi)部的因素影響會(huì)造成服務(wù)器的性能指標(biāo)降低，從而影響授時(shí)精度。因此，為了避免授時(shí)誤差造成的潛在風(fēng)險(xiǎn)，測(cè)試NTP時(shí)間服務(wù)器的授時(shí)精確度顯得非常迫切。NTP服務(wù)器分布非常廣泛，在對(duì)各種環(huán)境下的NTP時(shí)間服務(wù)器進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要NTP網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀具備體積小、重量輕、功耗低等便于攜帶和長途運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)。因此，研制一款便攜式NTP測(cè)試儀勢(shì)在必行。

1 系統(tǒng)原理及技術(shù)要求

1.1 NTP授時(shí)原理

NTP授時(shí)方式原理采用的是Client與Server模型[3]。如圖1所示，其工作流程為：首先客戶機(jī)打包好NTP數(shù)據(jù)包后發(fā)送給服務(wù)器，該數(shù)據(jù)包中包含了離開客戶機(jī)的時(shí)間戳（以客戶機(jī)時(shí)間為參照），當(dāng)該數(shù)據(jù)包到達(dá)服務(wù)器時(shí)，記錄此時(shí)的時(shí)間戳為（以服務(wù)器時(shí)間為參照），接著處理完后記錄數(shù)據(jù)包離開服務(wù)器的時(shí)間戳（以服務(wù)器時(shí)間為參照），將這兩個(gè)時(shí)間戳分別填入數(shù)據(jù)包中，然后立刻把新的數(shù)據(jù)包返回給客戶機(jī)，當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)客戶機(jī)時(shí)，記錄此時(shí)的時(shí)間戳為（以客戶機(jī)時(shí)間為參照），圖1中，為請(qǐng)求NTP服務(wù)器包傳送延時(shí)，為NTP回復(fù)包傳輸延時(shí)，為服務(wù)器和客戶端之間的時(shí)間偏差，為NTP包的往返時(shí)間。最后客戶機(jī)用上述4個(gè)時(shí)間參數(shù)計(jì)算兩個(gè)時(shí)間參數(shù)：NTP數(shù)據(jù)包的往返延遲和服務(wù)器與客戶機(jī)之間的時(shí)鐘偏差。

圖1 NTP授時(shí)原理圖

NTP數(shù)據(jù)包格式如圖2所示。圖2中，Originate timestamp為客戶機(jī)請(qǐng)求服務(wù)器時(shí)的時(shí)間戳，即時(shí)間，Receive timestamp為數(shù)據(jù)包到達(dá)服務(wù)器的時(shí)間戳，即時(shí)間，Transmit timestamp為服務(wù)器返回給客戶機(jī)的時(shí)間戳，即時(shí)間。

LIVNModeStartPollPrec Root delay Root dispersion Reference identifier Reference timestamp（64） Originate timestamp（64） Receive timestamp（64） Transmit timestamp（64） Extension field Key/Algorithm identifier Message hash（64 or 128）

。 （2）

根據(jù)式（1），也可表示為

1.2 NTP測(cè)試儀系統(tǒng)方案

NTP測(cè)試儀基于上述的NTP授時(shí)原理，首先在測(cè)試儀內(nèi)部建立高精度的本地鐘，采用GPS、BD和其他定時(shí)模塊實(shí)現(xiàn)本地鐘的時(shí)間同步和鐘面校準(zhǔn)，再將測(cè)試儀充當(dāng)客戶機(jī)角色與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，這樣便可以計(jì)算出測(cè)試儀與服務(wù)器的鐘差，即為服務(wù)器的授時(shí)精度。本文設(shè)計(jì)的NTP測(cè)試儀利用GPS/BD作為時(shí)間源，采用高穩(wěn)定度的恒溫晶振作為系統(tǒng)的頻率源，通過FPGA可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)高精度的本地鐘。測(cè)量時(shí)，系統(tǒng)先獲得GPS/BD時(shí)間源時(shí)間后與FPGA本地鐘同步，然后，根據(jù)NTP時(shí)間服務(wù)器授時(shí)原理，便攜式NTP測(cè)試儀發(fā)送NTP協(xié)議包，請(qǐng)求NTP時(shí)間服務(wù)器，待服務(wù)器響應(yīng)后，返回重新打包好的NTP協(xié)議包，NTP測(cè)試儀根據(jù)返回來的協(xié)議包，提取相關(guān)的時(shí)間信息并計(jì)算，從而測(cè)量出NTP測(cè)試儀本地時(shí)間與NTP服務(wù)器時(shí)間之差，經(jīng)過長時(shí)間的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析，從而得出NTP服務(wù)器的性能指標(biāo)[4]。

1.3 系統(tǒng)功能及性能

便攜式NTP測(cè)試儀的系統(tǒng)功能及性能如下：①系統(tǒng)功能要求：便攜式NTP測(cè)試儀的主要功能是測(cè)試NTP時(shí)間服務(wù)器的授時(shí)精度。輔助功能包括通過顯示屏、鍵盤等輸入輸出設(shè)備及接口實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能；②系統(tǒng)接口要求：串口、網(wǎng)絡(luò)接口、USB接口等外部接口用于數(shù)據(jù)的輸入輸出；③系統(tǒng)性能要求：便攜式NTP測(cè)試儀的系統(tǒng)性能指標(biāo)為時(shí)差測(cè)量分辨率為1μs，時(shí)間精度優(yōu)于0.1ms。

2 硬件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)劃分為板級(jí)系統(tǒng)和芯片級(jí)系統(tǒng)。板級(jí)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)微處理器與各個(gè)外設(shè)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。芯片級(jí)系統(tǒng)主要用FPGA內(nèi)部的邏輯門陣列實(shí)現(xiàn)本地鐘。

2.1 板級(jí)系統(tǒng)

板級(jí)系統(tǒng)如圖3所示，包括時(shí)間源子系統(tǒng)、本地時(shí)鐘單元、頻率源、CPU單元、網(wǎng)絡(luò)單元[5]、存儲(chǔ)單元、用戶操作單元和電源單元。

圖3 板級(jí)系統(tǒng)框圖

時(shí)間源子系統(tǒng)采用GPS/BD定時(shí)模塊，此模塊可以提供可見GPS/BD衛(wèi)星數(shù)量、衛(wèi)星狀態(tài)信息、經(jīng)緯度、海拔高度、運(yùn)動(dòng)速度和UTC時(shí)間等數(shù)據(jù)信息。這里主要獲取衛(wèi)星狀態(tài)和UTC時(shí)間兩個(gè)數(shù)據(jù)信息。此外，需要接入GPS/BD模塊的1PPS接口到本地鐘接口，用來觸發(fā)本地鐘的微秒計(jì)數(shù)。

采用FPGA可編程邏輯器件編寫本地時(shí)鐘，內(nèi)部設(shè)計(jì)微秒級(jí)計(jì)數(shù)器、秒級(jí)計(jì)數(shù)器、寄存器等。通過穩(wěn)定的頻率源（恒溫晶振）驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘電路。寄存器主要用來模擬SRAM存儲(chǔ)器，可以隨機(jī)訪問各個(gè)保存有微秒數(shù)據(jù)和秒數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間。

CPU子系統(tǒng)是系統(tǒng)的核心部分，它采用ARM微處理器，主要負(fù)責(zé)邏輯事物的管理。微處理器的主要功能如下：① 負(fù)責(zé)GPS/BD數(shù)據(jù)的解調(diào)，獲取UTC時(shí)間，并將UTC時(shí)間通過FSMC接口同步到本地鐘；②負(fù)責(zé)打包NTP協(xié)議包，請(qǐng)求NTP時(shí)間服務(wù)器，獲取NTP服務(wù)器時(shí)間信息，計(jì)算NTP時(shí)間服務(wù)器與測(cè)試儀的時(shí)間差；③ 負(fù)責(zé)將測(cè)試的原始數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果保存到SD卡存儲(chǔ)器；④ 響應(yīng)人機(jī)交互時(shí)的信息處理。

用戶接口主要包含鍵盤、顯示屏、鼠標(biāo)等輸入輸出設(shè)備，方便使用者使用設(shè)備。

2.2 芯片級(jí)系統(tǒng)

芯片級(jí)系統(tǒng)，通過硬件邏輯語言Verilog[6]完成本地鐘的設(shè)計(jì)。如圖4所示，F(xiàn)PGA主要由I/O接口模塊、微秒計(jì)數(shù)器、秒計(jì)數(shù)器和寄存器模塊構(gòu)成。FSMC總線接口負(fù)責(zé)FPGA內(nèi)部模塊與CPU通信。I/O接口由16位I/O口組成，可以同時(shí)傳送16位數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的輸入輸出。根據(jù)系統(tǒng)的性能需求，時(shí)間分辨率為1μs，F(xiàn)PGA內(nèi)部設(shè)計(jì)了微秒計(jì)數(shù)器，由外部恒溫晶振驅(qū)動(dòng)微秒計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，從而提供1μs的時(shí)間分辨率。當(dāng)CPU解調(diào)出GPS/BD的UTC時(shí)間后再進(jìn)行同步本地鐘。寄存器分為4組16位數(shù)據(jù)寄存器，每兩個(gè)組成一個(gè)32位雙字，分別用來保存微秒時(shí)間和秒時(shí)間值。

圖4 芯片級(jí)系統(tǒng)框圖

2.3 具體硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)詳細(xì)組成如圖5所示，主要包含以下部分：ARM核心微處理STM32F407ZG，F(xiàn)PGA/CPLD為協(xié)處理器，存儲(chǔ)電路包含SDRAM（隨機(jī)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器）和NandFlash，網(wǎng)絡(luò)部分為10M/100M自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)控制器和RJ45網(wǎng)絡(luò)接口模塊，人機(jī)交互主要包括鍵盤和LCD顯示屏，便攜式NTP時(shí)間服務(wù)器時(shí)間源采用GPS/BD雙模定時(shí)型接收機(jī)。

圖5 系統(tǒng)詳細(xì)組成框圖

3 軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方面，主要進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序開發(fā)。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不僅要求高可靠性，而且對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高。為此，本系統(tǒng)采用uC/OS II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)處理各個(gè)任務(wù)模塊。uC/OS II（micro control operation system two）是一個(gè)可以基于ROM運(yùn)行的、可裁減的、搶占式、實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，具有高度可移植性，特別適合于微處理器和控制器[7]。

3.1 軟件功能模塊

根據(jù)系統(tǒng)的功能和需求，把系統(tǒng)分為以下4個(gè)任務(wù)：人機(jī)交互管理任務(wù)、本地時(shí)鐘源任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)任務(wù)和數(shù)據(jù)處理任務(wù)，每個(gè)任務(wù)又可以劃分為更小子模塊，如圖6所示。

圖6 軟件功能框圖

人機(jī)交互任務(wù)模塊，主要是方便用戶通過鼠標(biāo)鍵盤操作系統(tǒng)，并通過顯示屏直觀地顯示出來。系統(tǒng)啟動(dòng)后，桌面會(huì)顯示測(cè)量對(duì)象、設(shè)置、幫助、桌面狀態(tài)等多個(gè)圖標(biāo)。用戶可根據(jù)測(cè)試需求進(jìn)入相應(yīng)的程序中進(jìn)行選擇和配置參數(shù)。桌面還會(huì)有一些狀態(tài)信息，如電池狀態(tài)、衛(wèi)星狀態(tài)、測(cè)試結(jié)果等反饋系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的信息。

本地時(shí)鐘任務(wù)模塊，主要負(fù)責(zé)GPS/BD時(shí)間源時(shí)間信息的獲取、本地時(shí)鐘的同步、計(jì)時(shí)等任務(wù)。首先，CPU通過串口獲取GPS/BD衛(wèi)星UTC時(shí)間，與此同時(shí)，衛(wèi)星模塊1PPS觸發(fā)FPGA微秒計(jì)數(shù)器清零計(jì)數(shù)。然后，待CPU提取出UTC時(shí)間后，將UTC 時(shí)間寫入FPGA秒計(jì)數(shù)器存儲(chǔ)空間，秒計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。最后，系統(tǒng)開始本地鐘的計(jì)時(shí)。

網(wǎng)絡(luò)管理任務(wù)模塊，主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù)，請(qǐng)求NTP時(shí)間服務(wù)器，獲得有關(guān)時(shí)間戳，為后面的數(shù)據(jù)處理提供數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理任務(wù)模塊，主要通過NTP協(xié)議算法計(jì)算NTP時(shí)間服務(wù)器與便攜式NTP測(cè)試系統(tǒng)的時(shí)間誤差信息，長時(shí)間測(cè)試，分析NTP時(shí)間服務(wù)器的準(zhǔn)確度，數(shù)據(jù)讀寫方面，主要是對(duì)原始數(shù)據(jù)和分析后的數(shù)據(jù)保存到內(nèi)部Flash或外部U盤上。

3.2 軟件工作流程

在測(cè)量NTP網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器時(shí)，本系統(tǒng)作為客戶端獲取NTP網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器時(shí)間信息，NTP協(xié)議采用傳輸層中的UDP協(xié)議傳輸[8]。NTP時(shí)間服務(wù)器測(cè)試工作流程如圖7所示。

圖7 NTP時(shí)間服務(wù)器測(cè)試工作流程

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

試驗(yàn)?zāi)康氖菣z測(cè)已初步完善的便攜式NTP測(cè)試儀系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所需的硬件設(shè)備如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)

4.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用比較法進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)原理基于NTP服務(wù)器授時(shí)的原理。實(shí)驗(yàn)過程如下：采用Time-Acc007和所研制的便攜式NTP測(cè)試儀通過路由器連接后，對(duì)同一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器同時(shí)進(jìn)行長時(shí)間測(cè)試，比較分析兩臺(tái)測(cè)試儀所采集同一時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)信息，觀察相同時(shí)段內(nèi)兩臺(tái)測(cè)試儀所測(cè)得的時(shí)鐘偏差的波動(dòng)范圍，其中TimeAcc-007時(shí)間綜合測(cè)試儀作為參考，便攜式NTP測(cè)試儀是本次實(shí)驗(yàn)的測(cè)試對(duì)象，圖8是實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接圖。

圖8 實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接圖

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2015年11月4日13:20:00（UTC時(shí)間）至2015年11月5日09:40:20（UTC時(shí)間），利用便攜式NTP測(cè)試儀對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器的時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，每1s測(cè)量1次，共采集73221個(gè)點(diǎn)。通過Matlab繪出的采樣點(diǎn)的離均差（偏離平均值大小）圖分別如圖9和10所示，橫坐標(biāo)表示采樣時(shí)間點(diǎn)，縱坐標(biāo)表示采樣值偏離平均值大小。

圖9 Time-Acc007離均差圖（平均值：918.87μs）

圖10 便攜式NTP測(cè)試儀離均差圖（平均值：648.86μs）

實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 Time-Acc007與便攜式NTP測(cè)試儀數(shù)據(jù)對(duì)比 μs

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，便攜式NTP測(cè)試儀的波動(dòng)性比Time-Acc007的波動(dòng)性小，平均值誤差比Time-Acc007小270.01μs，測(cè)量精度優(yōu)于0.1ms。

5 結(jié)語

本文介紹了一種采用ARM＋FPGA組合架構(gòu)開發(fā)的便攜式NTP測(cè)試儀的設(shè)計(jì)方案，通過分析目前實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)的測(cè)量精度優(yōu)于0.1ms，穩(wěn)定性高，能夠滿足較高的工程需要。后續(xù)任務(wù)還需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試，標(biāo)定其自身的系統(tǒng)差。

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[8] 華清遠(yuǎn)見嵌入式培訓(xùn)中心. 嵌入式Linux應(yīng)用程序開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)教程[M]. 2版. 北京: 人民郵電出版社, 2009.

Design and implementation of portable NTP tester

WANG Ming1,2,3, HOU Lei1,2,4, WANG Xin1,2,4

(1. National Time Service Center, 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 100049, China; 4. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards, National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China)

Traditional NTP tester has disadvantages of big size and high power consumption, and can not satisfy the needs of long distancemeasuring, therefore it is needed to develop a portable tester which is easy to be carried, operates stably, can be applied to various environments, and can effectively detect the time-service precision of the NTP server. To meet the requirements of system function and performance, the architecture of ARM + FPGA is adopted for the system, the embedded technology is used in the design, and the idea of modular design is adopted to complete the design and development. The result shows that the measurement accuracy can be better than 0.1 ms for this portable NTP tester which is based on embedded system design, satisfying the higher engineering demand.

portable; NTP tester; ARM; FPGA

TP393

A

1674-0637(2017)01-0027-09

10.13875/j.issn.1674-0637.2017-01-0027-09

2016-05-18

王明，男，碩士，主要從事導(dǎo)航定位定時(shí)終端技術(shù)研究。