基于NTP協議的數字鐘設計

汪 劍

(無錫科技職業學院，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。基于NTP協議，設計給予NTP協議的數字鐘，利用網線將各個時鐘連接到網絡時間服務器上，從而實現顯示時間的精確同步[1]。

1 NTP協議簡介

NTP協議是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，它是使使計算機時間同步化的一種協議，能夠提供高精準度的時間校正，它是開放式系統互聯參考模型的高層協議，符合用戶數據報協議（UDP）傳輸協議格式，擁有專用源端口和目標端口123[2]。采用NTP協議同步系統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內部，服務器在固定周期向客戶機主動發出時間信息，客戶機根據此時間信息校正系統時鐘；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，根據雙方交換的時間信息，實現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，其中NTP頭占16字節，每個時間戳8字節。NTP協議結構如圖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、發送請求包的時間、服務器接到請求包的時間和服務器發送響應包的時間。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協議結構

2 電路實現

2.1 數字鐘的總體設計

電路實現如圖2所示，電路包括單片機、時鐘芯片、網絡接口、顯示驅動和電源五個部分。由于單片機沒有網絡接口，為了實現NTP服務，采用廣州致遠的ZNE100T網絡接口模塊實現單片機的網絡接口，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 數字鐘電路原理

2.2 網絡接口設計

網絡接口部分利用廣州致遠的嵌入式網絡模塊 ZNE100T來實現，該模塊是串行到10M以太網絡轉換模塊，具有傳輸控制協議（TCP）服務器、傳輸控制協議客戶端、用戶數據報協議和組播等作業模式，組播地址、工作端口、目標網絡互聯協議（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，為了實現單片機的網絡通信，實際上將網絡包轉換為串行數據格式，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據，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口數據通信，片選、地址選通、數據選通和讀寫控制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，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實現數據通信，每片AS1109可以驅動8個LED，也就是一個七筆段數碼管，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。AS1109可以串聯，這樣不需要單片機額外增加接口就可以驅動多個數碼管顯示時間。AS1109的最主要優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，通過串行通信方式將狀態信息發送到單片機[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，按設定的時間間隔定期向NTP服務器發送NTP請求包和LED狀態，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嵌入式網絡模塊、DS12887時鐘芯片和AS1109LED驅動芯片設計了一款基于NTP協議的數字鐘，該數字鐘定期向NTP服務器發送請求包，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網絡協議，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，同時在監控端可以監控到連接到該網絡的所有時鐘的時間狀態、各LED管腳的短路和斷路等狀態，方便時鐘維護[8-10]。

[1] 湯建忠．煙草時間同步網絡系統的研究與實現[J]．計算機系統應用，2008(12)：142-144.

[2] 趙科佳，張愛敏，寧大愚. 基于NTP協議的網絡時間服務系統的實現[J].電子測試，2008(07)：13-16.

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[6] 夏學川，侯風云. 智能節水系統中DSl2887的數據顯示程序設計[J].機電設備，2008，25（05）：44-47.

[7] 奧地利微電子公司. AS1109說明書[EB/OL]. (2006-04-05)[2009-12-15].http：//www.austriamicrosystems.com.

[8] 賈成偉，蘇淑靖，甄國涌.基于C8051F060的CAN節點的設計與應用[J]. 通信技術，2010，43(04)：214-217.

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[10] 尚海,周淵平,莫武中.一種新型的位同步電路的設計與硬件實現[J].通信技術，2010，42(04)：40-42.