基于NTP協(xié)議的數(shù)字鐘設(shè)計(jì)

汪 劍

(無錫科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 無錫 214028)

0 引言

在車站、機(jī)場等大型公共場所通常需要放置多個時(shí)鐘，以方便旅客掌握時(shí)間。原來的各個時(shí)鐘都是相互獨(dú)立的，由于時(shí)鐘存在精度誤差，如果不定期調(diào)整時(shí)鐘顯示，減少誤差。間隔一定時(shí)間后，時(shí)鐘的誤差可能達(dá)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(diào)整時(shí)鐘經(jīng)度，但由于RS232和RS422的傳輸距離有限，在大型公共場所應(yīng)用存在一定難度?；贜TP協(xié)議，設(shè)計(jì)給予NTP協(xié)議的數(shù)字鐘，利用網(wǎng)線將各個時(shí)鐘連接到網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器上，從而實(shí)現(xiàn)顯示時(shí)間的精確同步[1]。

1 NTP協(xié)議簡介

NTP協(xié)議是Network Time Protocol的縮寫，最早由美國特拉華大學(xué)的米爾斯教授設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，它是使使計(jì)算機(jī)時(shí)間同步化的一種協(xié)議，能夠提供高精準(zhǔn)度的時(shí)間校正，它是開放式系統(tǒng)互聯(lián)參考模型的高層協(xié)議，符合用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）傳輸協(xié)議格式，擁有專用源端口和目標(biāo)端口123[2]。采用NTP協(xié)議同步系統(tǒng)時(shí)鐘有三種工作模式。①對稱模式，兩個以上服務(wù)器互相進(jìn)行時(shí)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(wǎng)內(nèi)部，服務(wù)器在固定周期向客戶機(jī)主動發(fā)出時(shí)間信息，客戶機(jī)根據(jù)此時(shí)間信息校正系統(tǒng)時(shí)鐘；③客戶機(jī)服務(wù)器模式，客戶機(jī)定時(shí)向授時(shí)服務(wù)器請求時(shí)間信息，根據(jù)雙方交換的時(shí)間信息，實(shí)現(xiàn)客戶機(jī)與授時(shí)服務(wù)器時(shí)鐘的同步。一個基本的NTP包包括NTP頭和四個時(shí)間戳共48字節(jié)，其中NTP頭占16字節(jié)，每個時(shí)間戳8字節(jié)。NTP協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖1所示。

模式字段定義如下：0－預(yù)留；1－對稱行為；3－客戶機(jī)；4－服務(wù)器；5－廣播；6－NTP 控制信息。在客戶機(jī)端發(fā)送請求時(shí)將該位添為 3，服務(wù)器響應(yīng)該請求后該位被寫為4。四個時(shí)間戳分別代表客戶機(jī)收到響應(yīng)包的時(shí)間、發(fā)送請求包的時(shí)間、服務(wù)器接到請求包的時(shí)間和服務(wù)器發(fā)送響應(yīng)包的時(shí)間。利用這四個時(shí)間戳可以計(jì)算出客戶機(jī)和服務(wù)器之間的時(shí)間差，利用該時(shí)間差和服務(wù)器發(fā)送響應(yīng)包的時(shí)間戳可以計(jì)算出本地客戶機(jī)時(shí)間，修正客戶機(jī)時(shí)間，使其時(shí)間與時(shí)間服務(wù)器的時(shí)間保持一致[3]。

圖1 NTP協(xié)議結(jié)構(gòu)

2 電路實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)字鐘的總體設(shè)計(jì)

電路實(shí)現(xiàn)如圖2所示，電路包括單片機(jī)、時(shí)鐘芯片、網(wǎng)絡(luò)接口、顯示驅(qū)動和電源五個部分。由于單片機(jī)沒有網(wǎng)絡(luò)接口，為了實(shí)現(xiàn)NTP服務(wù)，采用廣州致遠(yuǎn)的ZNE100T網(wǎng)絡(luò)接口模塊實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接口，本地時(shí)鐘采用美信的 DS12887芯片，顯示驅(qū)動采用奧地利微電子的8通道恒流LED驅(qū)動芯片AS1109。

圖2 數(shù)字鐘電路原理

2.2 網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)接口部分利用廣州致遠(yuǎn)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊 ZNE100T來實(shí)現(xiàn)，該模塊是串行到10M以太網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換模塊，具有傳輸控制協(xié)議（TCP）服務(wù)器、傳輸控制協(xié)議客戶端、用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議和組播等作業(yè)模式，組播地址、工作端口、目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議（IP）和端口均可設(shè)定，串行口波特率300～115 200 b/s）可設(shè)，有23個引腳，管腳定義如表1所示，在本應(yīng)用中，為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)際上將網(wǎng)絡(luò)包轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)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(yīng)連接，串口發(fā)送和串口接收連接到單片機(jī)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(shí)鐘芯片

時(shí)鐘芯片采用美國美信公司的 DS12887，該芯片內(nèi)含一個鋰電池，斷電情況運(yùn)行十年以上不丟失數(shù)據(jù)，可以提供年、月、日、時(shí)、分、秒和星期信息，并具有直到 2099年的閏年補(bǔ)償功能。包含4個控制寄存器、10個時(shí)鐘寄存器和114個通用寄存器，DS12887出廠時(shí)，其內(nèi)部晶振被關(guān)掉，以防止鋰電池在芯片裝入系統(tǒng)前被消耗。寄存器A的BIT4～BIT6為11x時(shí)打開晶振，分頻鏈不啟動，為010時(shí)打開晶振，分頻鏈啟動，500 ms后時(shí)鐘更新，BIT4～BIT6的其它組合都是使晶振關(guān)閉。本設(shè)計(jì)采用 28引腳雙列直插封裝芯片，與單片機(jī)的并行口 P0口數(shù)據(jù)通信，片選、地址選通、數(shù)據(jù)選通和讀寫控制RW與單片機(jī)的P2口連接[5-6]。

表1 ZNE100T模塊管腳

2.4 顯示驅(qū)動

顯示驅(qū)動主要由奧地利微電子的AS1109來實(shí)現(xiàn)，AS1109通過串行方式與單片機(jī)通信，在本設(shè)計(jì)中，利用單片機(jī)的P1口與AS1109實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，每片AS1109可以驅(qū)動8個LED，也就是一個七筆段數(shù)碼管，LED驅(qū)動電流在0.5～100 mA可設(shè)，驅(qū)動電流的設(shè)定通過改變 15引腳到地之間的電阻值實(shí)現(xiàn)。AS1109可以串聯(lián)，這樣不需要單片機(jī)額外增加接口就可以驅(qū)動多個數(shù)碼管顯示時(shí)間。AS1109的最主要優(yōu)點(diǎn)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(tài)，通過串行通信方式將狀態(tài)信息發(fā)送到單片機(jī)[7]。AS1109管腳如圖3所示。

圖3 AS1109管腳圖

2.5 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)的主要工作是檢測時(shí)鐘芯片的時(shí)鐘寄存器，檢測到時(shí)間改變后，將時(shí)間送到LED顯示，同時(shí)讀回LED的狀態(tài)，按設(shè)定的時(shí)間間隔定期向NTP服務(wù)器發(fā)送NTP請求包和LED狀態(tài)，NTP的應(yīng)答包由單片機(jī)中斷處理，當(dāng)單片機(jī)響應(yīng)中斷后，由四個時(shí)間戳計(jì)算出本地時(shí)鐘時(shí)間，由于該時(shí)間為1900年1月1日0時(shí)0分0秒到現(xiàn)在時(shí)刻的時(shí)間差，因此需要將該時(shí)間轉(zhuǎn)換為年月日時(shí)分秒的形式，將該時(shí)間加1 s寫入時(shí)鐘芯片，同時(shí)根據(jù)時(shí)鐘芯片啟動后 500 ms更新的特點(diǎn)，控制時(shí)鐘芯片的更新時(shí)機(jī)，這樣能夠使本地時(shí)間基本與NTP服務(wù)器的時(shí)間同步。

3 結(jié)語

利用 ZNE100T嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊、DS12887時(shí)鐘芯片和AS1109LED驅(qū)動芯片設(shè)計(jì)了一款基于NTP協(xié)議的數(shù)字鐘，該數(shù)字鐘定期向NTP服務(wù)器發(fā)送請求包，利用服務(wù)器響應(yīng)包的時(shí)間戳可以計(jì)算出本地客戶機(jī)時(shí)間，修正客戶機(jī)時(shí)間，由于采用NTP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，使其時(shí)間與NTP服務(wù)器的時(shí)間保持一致。走時(shí)準(zhǔn)確，工程安裝便利，同時(shí)在監(jiān)控端可以監(jiān)控到連接到該網(wǎng)絡(luò)的所有時(shí)鐘的時(shí)間狀態(tài)、各LED管腳的短路和斷路等狀態(tài)，方便時(shí)鐘維護(hù)[8-10]。

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