基于北斗的嵌入式時間統一服務器的設計實現

呂晨陽，王 建

（南京船舶雷達研究所，江蘇 南京210003）

現代高技術戰爭需要高精度的時間同步。普通的獨立時鐘通過晶振提供信號，晶振的頻率精度和穩定性都比較差，一般約為10-4～10-5，每天的累計誤差可達十幾秒，需要定期調整[1]。對于聯網的主機，使用網絡時間協議（NTP）對時，精度高、使用方便[1-2]。 但由于武器裝備的特殊性，不方便接入互聯網，同時很多裝備需要進行機動，無法接入專用網絡，為滿足時間同步要求，可在系統內架設專用的時間同步服務器，為系統內的眾多主機提供授時服務。時間同步服務器需要高精度的時鐘源，導航衛星授時精度高、獲取容易、易機動[3]，滿足授時要求。本文基于實際應用需求，構建以我國自主導航系統——北斗系統為源的時間統一服務器，能進行系統內主機的網絡對時，同時還可提供IRIG-B碼用于專用設備對時。

1 NTP和IRIG-B授時協議

網絡時間協議 NTP（Network Time Protocol）是互聯網普遍使用的時間同步協議，在全世界各地都分布有NTP服務器，對于聯網的計算機可以通過NTP協議進行授時，授時精度對于廣域網可以達到10 ms，對于局域網可以 達 到 250 μs[1]。

NTP協議使用時間戳來進行對時，對于Server/Client模式，設客戶端發出請求的時間戳為T1，服務端接收到的時間戳為T2，服務端響應時間戳為T3，客戶端接收到的時間戳為T4，設客戶端與服務器之間的往返時間相同，則服務器與客戶端的時間偏差θ=[(T2-T1)-(T4-T3)]/2，網絡延遲σ=[(T2-T1)+(T4-T3)]/2。客戶端通過時間偏差和網絡延遲來調整本地時間。

IRIG-B簡稱B碼，是IRIG串行碼的一種，碼元速率為100 pps，通過碼元的寬度來區分0、1和參考標志。0、1的寬度分別為2 ms和5 ms，參考標志為 8 ms。B碼發送時、分、秒、天和年，使用BCD碼進行發送[4]。IRIG-B可以達到比較高的精度，參考文獻[5-6]中采用GPS的1 pps信號進行同步的IRIG-B碼發生器的前沿精度略微低于1 pps信號。

2 系統結構

圖1 系統框圖

系統框圖如圖1所示，主要包括北斗模塊、ARM系統、CPLD和網絡接口4個部分。北斗模塊接收北斗衛星信號，輸出1 pps和NMEA0183導航授時電文。網絡接口進行NTP數據包的收發，同時也是系統的控制終端。IRIG-B發生器通過VHDL在CPLD內部實現，與ARM系統通過SPI總線相連，接收ARM系統提供的時鐘信號，在1 pps信號的同步下生成B碼。ARM系統是本系統的核心，運行Linux操作系統，在此基礎上運行功能所需的應用程序，包括NTP對時程序和IRIG-B碼發生器控制程序。

3 系統硬件設計

系統北斗模塊選用UM220-T，該模塊是和芯星通推出的一款專用于電信、電力、軍事的高精度授時模塊，具有GPS/BD2雙模模式，輸出兼容NMEA0183協議，在NMEA0183的基礎上增加了北斗專用語句。其1PPS信號的標準差1σ=20 ns，滿足本應用要求。

系統硬件設計部分主要包括原理圖和PCB的設計。PCB設計的主要注意事項包括模擬、數字電源的隔離、差分線的等長和阻抗匹配。硬件實物圖如圖2所示。

4 軟件設計

系統的主要功能需通過軟件實現，軟件設計內容主要包括 Linux系統移植、NTP服務器程序的移植、B碼發生器控制應用程序的編寫和IRIG-B碼發生器的VHDL實現。

圖2 系統硬件圖

4.1 NTP服務器軟件移植

ntp.org提供和維護一個開源的NTP程序，該源程序功能全面、運行穩定，得到了廣泛的應用。上文中提到北斗模塊采用兼容的NMEA0183協議，增加了北斗專用語句。原生NTP程序包不支持北斗專用語句，需對其源代碼進行修改才能使用。

在Linux系統下從www.ntp.org下載源代碼到本地工作目錄，在工作目錄下新建src目錄，將源代碼解壓到src目錄下，打開src/ntp-x.x.x/ntpd/refclock_nmea.c文件，將文件中的如下代碼：

修改為：

NMEA0138協議通過每一行的頭來區分該行數據。對NTP源程序修改以增加北斗專用語句頭，"$GNRMC"、"$GNGGA"、"$GNGLL"、"$GNXXX" 表示現在是北斗/GPS 雙模，"$BDRMC"、"$BDGGA"、"$BDGLL"、"$BDXXX"表示現在是北斗單模。對上述修改文件保存退出。在工作目錄下新建編譯腳本，命名為run，內容為：

保存退出。腳本指定編譯器為arm-linux-gcc，用于ARM平臺的交叉編譯，同時打開NMEA接受支持，用于接收北斗模塊信號。運行腳本，編譯得到目標文件，包括3個文件夾bin、lib、share，把得到的文件拷貝至ARM文件系統相應的文件夾內。NTP服務器通過文件/etc/ntp.conf進行配置，配置文件通過 server：127：127：20.u 打開 NMEA0138作為時鐘源，u是NMEA的參數設置，包括串口的波特率和使用NMEA的哪條語句作為時間碼，具體配置參照參考文獻[7]。

測試使用一臺客戶機進行，測試結果如圖3所示，圖中第1列為服務器列表，使用國際標準NTP服務器作為對比，其中GPS_NMEA(0)為本設計的嵌入式時間同步服務器，bogon為客戶端本地時鐘，圖中加星號的為系統自動默認選擇的服務器，從圖中可以看出本服務器性能理想，滿足授時需求。

圖3 NTP服務器測試結果

4.2 IRIG-B碼發生器設計

為滿足系統內專用設備的需求，設計IRIG-B碼發生器，把北斗時間碼轉換成IRIG-B碼。IRIG-B碼直接采用北斗模塊的1 pps信號作為系統同步時鐘，授時精度與北斗模塊相同。

IRIG-B碼發生器系統框圖如圖4所示，系統由100 MHz時鐘輸入作為本地時鐘，通過內部分頻模塊產生100 Hz和1 kHz的頻率信號，IRIG-B碼時序如圖5所示，其中碼元速率為 1 pps，故分頻產生100 Hz信號作為碼元時鐘，脈沖寬度分別為 8 ms、2 ms和 5 ms，分頻產生1 kHz用于控制脈沖寬度。發生器通過SPI接口與ARM系統相連，接受ARM系統控制。

圖4 IRIG-B碼發生器框圖

圖5 IRIG-B協議圖示

ARM系統通過NTP程序使本地時鐘同步于北斗時鐘，另一個進程運行IRIG-B碼發生器控制程序，在1PPS信號同步下取得本地時鐘，轉換成IRIG-B碼格式，通過SPI接口發送到CPLD內部，程序流程圖如圖6所示。

圖6 IRIG-B碼轉換發送程序

圖7 IRIG-B發生器測試結果

4.3 IRIG-B碼實測結果

IRIG-B碼發生器的測試結果如圖7所示，從圖中可以看出，B碼輸出嚴格同步于1 pps信號，時序符合IRIG-B碼規范。

采用ARM+CPLD體系構建時間統一服務器，采用Linux和成熟穩定的開源程序，降低了系統的開發難度，提高了系統的可靠性，采用CPLD硬件實現IRIG-B碼發生器，時序精度高，滿足高精度IRIG-B碼授時要求。目前本裝置已應用到實際項目中。

[1]黃沛芳.基于NTP的高精度時鐘同步系統實現[J].電子技術應用，2009，35(7)：122-127.

[2]宋妍，朱爽.基于 NTP的網絡時間服務系統的研究[J].計算機工程與應用，2003，39(36)：147-149.

[3]王文瑜.基于北斗衛星的授時系統研制[D].北京：北京郵電大學，2008.

[4]Standard I.200-04-IRIG serial time code formats[S].Timing Committee.Telecommunications and Timing Group.Range Commanders Council，US Army White Sands Missile Range，NM.

[5]姚軍.利用 GPS實現高精度 IRIG-B碼的設計[J].遙測遙控，1997，18(2)：33-37.

[6]高林，胡永輝，侯雷.基于 ARM+FPGA的 IRIG-B碼產生器的研制[J].時間頻率學報，2012，35(4)：218-227.

[7]POGO，KELLY W.Generic NMEA GPS receiver[EB/OL].[2013-10-29].http：//www.eecis.udel.edu/～mills/ntp/html/drivers/driver20.html.