一種低成本授時(shí)服務(wù)器的設(shè)計(jì)

孟獻(xiàn)儀 ，王智群

（1.徐州和緯信電科技有限公司，江蘇徐州， 221008；2.無(wú)錫益多環(huán)保熱電有限責(zé)任公司，江蘇無(wú)錫，214135）

1 系統(tǒng)構(gòu)成

本文設(shè)計(jì)一款以STC單片機(jī)系統(tǒng)板STC8A8K64S4A12 為處理器的授時(shí)服務(wù)器，采用中科微公司生產(chǎn)的GPS/BD雙模衛(wèi)星接收模塊，用作外部高精度時(shí)間源，負(fù)責(zé)提供標(biāo)準(zhǔn)UTC時(shí)間信息，定時(shí)精度10毫秒；擁有以太網(wǎng)接口可以與客戶端進(jìn)行時(shí)間同步；擁有串行接口，可以進(jìn)行設(shè)備調(diào)試、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，可以獲取外部時(shí)鐘源信號(hào)； 擁有EEPROM 電路，可以存放需要掉電保護(hù)的一些數(shù)據(jù)，比如IP地址以及參數(shù)配置等。授時(shí)服務(wù)器的應(yīng)用組成如圖1所示。

圖1 授時(shí)服務(wù)器的組成

采用CH9126網(wǎng)絡(luò)接口芯片作為服務(wù)器是本設(shè)計(jì)一大亮點(diǎn)，可以用來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理，既可以做服務(wù)器又可以做客戶端。它具有授時(shí)精度高、集成度高、穩(wěn)定性佳和低功耗等特點(diǎn)。具體特性指標(biāo)如下：

（1）內(nèi)置SNTP協(xié)議；（2）授時(shí)精度為10ms；（3）自帶以太網(wǎng)介質(zhì)傳輸層（MAC）和物理層(PHY)，在CH9126內(nèi)部，可以自動(dòng)完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的解析。（4）支持10/100M，全雙工/半雙工自適應(yīng)，兼容802.3協(xié)議，可以在不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理； （5）兼容 802.3x全雙工流控和半雙工背壓流控；（6）支持MDI/MDIX線路自動(dòng)轉(zhuǎn)換；（7）支持通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和串口配置模塊參數(shù)，串口支持5、6、7或者8個(gè)數(shù)據(jù)位以及 1 或者2個(gè)停止位，支持奇、偶、無(wú)校驗(yàn)、空白0、標(biāo)志1等校驗(yàn)方式，波特率支持 300-921600bps，支持一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)通道，提供網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)串口的數(shù)據(jù)透?jìng)鞴δ堋?/p>

基于以上特性，使用CH9126網(wǎng)絡(luò)接口芯片作為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸處理芯片可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)和軟件編程。

2 硬件組成

將衛(wèi)星時(shí)鐘源部分與數(shù)據(jù)處理和控制部分進(jìn)行硬件連接，即GPS/BD雙模衛(wèi)星時(shí)鐘源模塊通過(guò)串行接口與STC單片機(jī)進(jìn)行通信，GPS/BD雙模衛(wèi)星時(shí)鐘源模塊向STC單片機(jī)提供1PPS 秒脈沖信號(hào)以及時(shí)碼信號(hào)，用I/O口進(jìn)行硬件連接；時(shí)碼信號(hào)所帶的UTC時(shí)間信息通過(guò)串口傳送給單片機(jī)，并保持和秒脈沖信號(hào)上升沿的同步。

網(wǎng)絡(luò)接口部分通過(guò)串行接口與數(shù)據(jù)處理和控制部分進(jìn)行通信，即STC單片機(jī)和 CH9126之間通過(guò)串口和I/O口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，將時(shí)間信息同步。網(wǎng)絡(luò)接口與用戶接口的連接即為SNTP時(shí)間服務(wù)器與SNTP客戶端的連接，網(wǎng)絡(luò)授時(shí)芯片CH9126通過(guò)RJ45接口以及網(wǎng)線，完成與客戶端的數(shù)據(jù)交換。

（1）GPS/BD雙模衛(wèi)星接收模塊通過(guò)串口通信為STC單片機(jī)提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)碼和1PPS 秒脈沖的串口信號(hào)。服務(wù)器可以獲取不同外部時(shí)鐘源，包括中科微的3通道 GPS衛(wèi)星接收模塊、3通道北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航模塊和國(guó)家授時(shí)中心的原子頻標(biāo)時(shí)間基準(zhǔn)等作為時(shí)鐘源，用來(lái)獲取標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)且不依賴于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；（2）網(wǎng)絡(luò)接口芯片CH9126連接電以太網(wǎng)RJ45接口，可以用于連接客戶端進(jìn)行時(shí)間同步；（3）Micro USB接口電路為系統(tǒng)提供相應(yīng)的軟件調(diào)試接口；（4）RS485接口通過(guò)串口通信，可以幫助系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)、調(diào)試、配置等功能；（5）擁有EEPROM 電路，可以存放需要掉電保護(hù)的一些數(shù)據(jù)，比如IP地址以及參數(shù)配置等。

客戶端主要采用STC作為數(shù)據(jù)處理及控制核心，使用CH9126芯片的客戶端模式以及外圍相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)各部分。CH9126芯片通過(guò)以太網(wǎng)向SNTP服務(wù)器獲取標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，通過(guò)串口通信輸出給單片機(jī)，同時(shí)還可以通過(guò)LCD12864顯示屏實(shí)時(shí)顯示。從而完成時(shí)間同步。主要框圖設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 SNTP客戶端的設(shè)計(jì)

授時(shí)服務(wù)器的數(shù)據(jù)處理核心使用STC8A8K64S4A12單片機(jī)來(lái)完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和控制部分，在SNTP網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器系統(tǒng)中，通過(guò)接收并解析GPS/BD雙模衛(wèi)星接收模塊獲取的標(biāo)準(zhǔn)UTC時(shí)間信息，主要接收串口信號(hào)以及1PPS秒脈沖信號(hào)，再由 STC8A8K64S4A12內(nèi)部的TIMx計(jì)數(shù)器功能來(lái)提取精確時(shí)間信息（年月日時(shí)分秒），并修正自己的時(shí)鐘信息，使其與GPS時(shí)鐘源保持同步。

系統(tǒng)采用了C/S 模式(主從模式)，主控芯片的工作過(guò)程為：當(dāng)客戶端需要時(shí)間同步的時(shí)候，回向服務(wù)器發(fā)送基于SNTP標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)包，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)授時(shí)芯片CH9126將數(shù)據(jù)包解析之后，發(fā)送給STC8A8K64S4A12，此時(shí)CH9126 芯片向STC8A8K64S4A12發(fā)送中斷請(qǐng)求；當(dāng) STC8A8K64S4A12 接收到信號(hào)時(shí)并將數(shù)據(jù)包解析，把此刻服務(wù)器端獲取的轉(zhuǎn)換過(guò)后的時(shí)間信息再次打包、封裝后，生成一個(gè)基于SNTP時(shí)間協(xié)議的通信數(shù)據(jù)包，由CH9126芯片通過(guò)RJ45接口和網(wǎng)線發(fā)送給客戶端，此時(shí)授時(shí)精度可以達(dá)到毫秒級(jí)；通過(guò)客戶端與服務(wù)器的兩次通信，即可完成兩者之間的時(shí)間同步。STC8A8K64S4A12的電路原理圖如圖3所示。

圖3 STC8A8K64S4A12的電路原理圖

網(wǎng)絡(luò)接口采用RJ45接口，完成網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與客戶端之間進(jìn)行SNTP數(shù)據(jù)包通信。網(wǎng)絡(luò)授時(shí)芯片CH9126和RJ45接口進(jìn)行電氣連接，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收。其電路圖如圖4所示：其中，RJ45接口RXN/RXP信號(hào)對(duì)與CH9126的第1引腳和第2引腳相連；TXN/TXD信號(hào)對(duì)與CH9126的第3引腳和第6引腳相連；ELINK引腳與CH9126的第10引腳和第11引腳相連，在低電平時(shí)工作，在10/100Mbps時(shí)連接正常。

圖4 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接口

串行接口設(shè)計(jì)采用RS485標(biāo)準(zhǔn)，其四線制僅僅可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式，應(yīng)用較窄。所以本設(shè)計(jì)采用兩線制。但是STC8A8K64S4A12核心板微處理器的TTL電路中的高、低電平信號(hào)不同于RS485標(biāo)準(zhǔn)定義的高、低電平信號(hào)。RS485傳輸差分信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)邏輯“1”對(duì)應(yīng)的兩線間的電壓差為+（2—6）V；標(biāo)準(zhǔn)邏輯“0”對(duì)應(yīng)的兩線間的電壓差為-（2—6）V。TTL的標(biāo)準(zhǔn)邏輯“1”是在2V～3.3V電平，標(biāo)準(zhǔn)邏輯“0”是在0V～0.4V電平。兩者電壓不匹配，因此，采用的是RS485轉(zhuǎn)TTL模塊實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。

電源電路可以向授時(shí)服務(wù)器各部分提供能使其穩(wěn)定運(yùn)行的電源電壓，從外部通過(guò)USB轉(zhuǎn)micro b接口獲取電源。電源分為3.3V和5V，其電路原理圖如圖5所示：5V穩(wěn)壓采用的是AMS1117-5V芯片，3.3V穩(wěn)壓采用的是RT9193-33穩(wěn)壓芯片。其中5V主要給BD/GPS雙模接收模塊供電，3.3V給STC單片機(jī)、網(wǎng)絡(luò)接口芯片CH9126以及其他外圍電路供電。

圖5 電源電路

3 軟件流程

基于SNTP的時(shí)間同步服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)由兩部分組成，是SNTP授時(shí)服務(wù)器的軟件設(shè)計(jì)和SNTP客戶端的軟件設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于對(duì)SNTP授時(shí)服務(wù)器進(jìn)行分析、研究、設(shè)計(jì)。

（1）本設(shè)計(jì)采用CH9126網(wǎng)絡(luò)授時(shí)芯片，具有Server/Client兩種工作模式，所以設(shè)計(jì)兩種構(gòu)架。

（2）軟件設(shè)計(jì)的程序通過(guò)Keil μVision5軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行編程。使用C51編譯器進(jìn)行程序編寫(xiě)編譯、調(diào)試排錯(cuò)。

（3）由串口獲取GPS提供的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息UTC，通過(guò)子程序精確取出所需要的時(shí)間信息并進(jìn)行時(shí)區(qū)轉(zhuǎn)換，再通過(guò)Server/Client模式進(jìn)行SNTP數(shù)據(jù)包的收發(fā)，從而達(dá)到時(shí)間同步作用。

SNTP授時(shí)服務(wù)器的軟件設(shè)計(jì)主要分為四個(gè)部分：系統(tǒng)初始化、參數(shù)配置、時(shí)間同步與授時(shí)程序設(shè)計(jì)和SNTP授時(shí)服務(wù)。當(dāng)STC8A8K64S4A12單片機(jī)獲取標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息后，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換提取處理，將信息通過(guò)串口在LCD12864上顯示出來(lái)。同時(shí)授時(shí)芯片CH9126通過(guò)串口獲取標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，再通過(guò)LWIP協(xié)議棧給客戶端進(jìn)行時(shí)間同步。

圖7 授時(shí)測(cè)試

本設(shè)計(jì)分為SNTP時(shí)間同步服務(wù)器和SNTP時(shí)間同步客戶端兩部分，所以擁有主時(shí)鐘和從時(shí)鐘兩種模式，可以用SNTP協(xié)議配置軟件在上位機(jī)進(jìn)行配置。軟件設(shè)計(jì)的主程序主要作用在于完成串口數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的處理，串口1負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信，串口2負(fù)責(zé)接收GPS/BD衛(wèi)星接收模塊的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息，串口3負(fù)責(zé)連接LCD12864顯示屏，串口4用以連接CH9126網(wǎng)絡(luò)授時(shí)模塊。其中時(shí)鐘源來(lái)自GPS/BD雙模衛(wèi)星接收模塊接收的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息UTC，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息UTC通過(guò)串行接口2完成與數(shù)據(jù)處理核心的通信。

圖6 主程序流程圖

4 測(cè)試

例舉一個(gè)簡(jiǎn)單測(cè)試方法，使用網(wǎng)線把PC機(jī)網(wǎng)口和服務(wù)器的網(wǎng)口連接起來(lái)，若有多個(gè)PC機(jī)，使用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)進(jìn)行聯(lián)機(jī)。

在Windows系統(tǒng)中，打開(kāi)控制面板中的管理工具，選中服務(wù)打開(kāi)，然后找到windows time服務(wù)。依次單擊本地組策略編輯器、計(jì)算機(jī)配置、管理模板、系統(tǒng)、windows time服務(wù)，在時(shí)間提供程序里設(shè)置啟用Windows NTP服務(wù)器。將目標(biāo)地址與授時(shí)服務(wù)器IP地址（如192.168.1.133）設(shè)為一致，即可自動(dòng)對(duì)時(shí)。

5總結(jié)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在廣電網(wǎng)絡(luò)、鐵路信息系統(tǒng)、油氣管道生產(chǎn)監(jiān)控、智能電網(wǎng)、移動(dòng)通信等行業(yè)信息化建設(shè)中，人們對(duì)信息控制系統(tǒng)精度要求越來(lái)越高,本文設(shè)計(jì)了一款低成本的授時(shí)服務(wù)器，授時(shí)精度在局域網(wǎng)內(nèi)可以達(dá)到毫秒級(jí)別，在廣域網(wǎng)內(nèi)可以達(dá)到幾十個(gè)毫秒，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。