基于單片機(jī)的局域網(wǎng)時(shí)間服務(wù)器設(shè)計(jì)

張凱

【摘要】現(xiàn)代數(shù)字電視系統(tǒng)，需要精準(zhǔn)的時(shí)鐘信號(hào)，重點(diǎn)設(shè)備也需要進(jìn)行完善的授時(shí)。對(duì)數(shù)字電視系統(tǒng)而言，由于播出方式的自動(dòng)化，對(duì)時(shí)間的準(zhǔn)確性和一致性有高度的要求。電視臺(tái)內(nèi)部的播出和設(shè)備網(wǎng)管系統(tǒng)，需要與各系統(tǒng)、各種設(shè)備進(jìn)行對(duì)接，時(shí)鐘系統(tǒng)顯得尤為重要。準(zhǔn)確的時(shí)鐘信號(hào)，可以保證臺(tái)內(nèi)所有設(shè)備均接收使用相同的時(shí)鐘信號(hào)，用以保證播出的準(zhǔn)確性與安全性。在地球站的播出中，需要保證時(shí)鐘系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠。對(duì)于時(shí)鐘系統(tǒng)，要做好時(shí)鐘信號(hào)的同步， 保證系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備處于同一步調(diào)。目前常用的方法是使用GPS和互聯(lián)網(wǎng)校時(shí)，因播出機(jī)房?jī)?nèi)GPS信號(hào)很弱，GPS接收器放在室外容易引入干擾和雷擊，因此采用了通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器獲取標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，使用單片機(jī)隔離互聯(lián)網(wǎng)的方式構(gòu)建局域網(wǎng)時(shí)間服務(wù)器。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī);網(wǎng)絡(luò)安全;網(wǎng)絡(luò)校時(shí)

中圖分類號(hào)：TN92? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.05.042

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，使得基于網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用也在迅速增加。網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)給社會(huì)帶來(lái)極大的經(jīng)濟(jì)效益，但安全問(wèn)題也隨之而來(lái)。對(duì)于數(shù)字電視系統(tǒng)而言，和互聯(lián)網(wǎng)連接會(huì)有比較大的網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)備面臨網(wǎng)絡(luò)攻擊，暴露，用戶的口令、數(shù)據(jù)庫(kù)的信息等內(nèi)容有遭到竊取的風(fēng)險(xiǎn)，使播出面臨網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)的問(wèn)題，所以網(wǎng)絡(luò)安全越來(lái)越受到重視和關(guān)注。對(duì)于某些重要設(shè)備，不需聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)一般都做到和互聯(lián)網(wǎng)物理隔絕，確保網(wǎng)絡(luò)和信息安全，完全杜絕了各種可能的外部網(wǎng)絡(luò)的攻擊或泄密。因?yàn)閷?shí)現(xiàn)的任務(wù)很輕，現(xiàn)在單片機(jī)的性能已能滿足需求，所以使用單片機(jī)完成此項(xiàng)功能，同時(shí)也提高設(shè)備的可靠性。

開(kāi)源單片機(jī)開(kāi)發(fā)平臺(tái)比較流行的是Arduino，它不僅是一個(gè)優(yōu)秀的硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，更是硬件開(kāi)發(fā)的趨勢(shì)。Arduino拋開(kāi)了傳統(tǒng)硬件開(kāi)發(fā)的復(fù)雜操作，不需要了解硬件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和寄存設(shè)置，也不需要過(guò)多的電子知識(shí)和編程知識(shí)，而只需通過(guò)簡(jiǎn)單的學(xué)習(xí)，便可利用它開(kāi)發(fā)出各種出色的項(xiàng)目，大大節(jié)約學(xué)習(xí)成本，縮短開(kāi)發(fā)周期。

1. 時(shí)間服務(wù)器的硬件組成

時(shí)間服務(wù)器利用兩個(gè)Arduino主板，Arduino主板A和Arduino主板B，以及兩塊網(wǎng)絡(luò)模塊，一個(gè)電子時(shí)鐘構(gòu)建一個(gè)與外網(wǎng)隔離的服務(wù)器端。網(wǎng)絡(luò)模塊采用W5100，每個(gè)W5100模塊通過(guò)SPI接口分別和每塊主板相連接，主板A和主板B通過(guò)串口相連接，實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊DS3231通過(guò)I2C總線與主板B相連接，各個(gè)硬件之間的連接組成的系統(tǒng)圖1。這樣就避免了與外網(wǎng)直接連接而帶來(lái)的外部網(wǎng)絡(luò)攻擊的風(fēng)險(xiǎn)。從而使得本站的內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)形成一個(gè)有效的物理隔離。確保內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備免受侵?jǐn)_。

Aruino主板的種類有很多，在這里我們選用了功能比較強(qiáng)大和穩(wěn)定性更強(qiáng)的Aruino MAGE2560。它的核心芯片主要是封裝的AVR架構(gòu)，它是一種基于AVR增強(qiáng)RISC架構(gòu)的低功耗CMOS8位微控制器，具有JTAG、中斷、SPI、TWI（兼容I2C）、USART、PWM等硬件接口，方便軟件調(diào)試和外部設(shè)備的連接。通過(guò)在單個(gè)時(shí)鐘周期中執(zhí)行強(qiáng)大的指令實(shí)現(xiàn)了接近1MIPS/MHz的吞吐量，允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員優(yōu)化功耗和處理速度。

W5100是一種款多功能的單片網(wǎng)絡(luò)接口芯片，內(nèi)部集成有10/100以太網(wǎng)控制器，主要應(yīng)用于高集成、高穩(wěn)定、高性能和低成本的嵌入式系統(tǒng)中，使用W5100可以實(shí)現(xiàn)沒(méi)有操作系統(tǒng)的Internet連接，W5100內(nèi)部集成了全硬件的TCP/IP協(xié)議棧、以太網(wǎng)介質(zhì)傳輸層和物理層（PHY）。硬件TCP/IP協(xié)議棧支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP和PPPoE，這些協(xié)議已經(jīng)連續(xù)多年在各種實(shí)際應(yīng)用中得以證明，W5100內(nèi)部還集成有16KB存儲(chǔ)器用于數(shù)據(jù)傳輸。使用W5100不需要考慮以太網(wǎng)控制，只要進(jìn)行簡(jiǎn)單的端口（Socket）編程。W5100提供3種接口：直接并行總線、間接并行總線和SPI總線與MCU接口非常簡(jiǎn)單，就像訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器一樣。

DS3231是一個(gè)由溫度補(bǔ)償32kHz晶體振蕩器驅(qū)動(dòng)的串行RTC，提供了一個(gè)穩(wěn)定和準(zhǔn)確的參考時(shí)鐘，在環(huán)境溫度從-40°C到+85°C下保持RTC每年±2分鐘的精度。RTC是一個(gè)低功耗時(shí)鐘/日歷，有兩個(gè)可編程的時(shí)間報(bào)警和一個(gè)可編程的方波輸出，時(shí)鐘/日歷提供秒、分鐘、小時(shí)、日、日、月和年信息，月末的日期會(huì)自動(dòng)調(diào)整天數(shù)少于31天的月份，包括閏年的更正。時(shí)鐘運(yùn)行在24小時(shí)或12小時(shí)的格式與AM/PM指示器。內(nèi)部寄存器可以通過(guò)I2C總線接口訪問(wèn)。一個(gè)溫度補(bǔ)償?shù)碾妷簠⒖己捅容^電路監(jiān)測(cè)VCC的水平，以檢測(cè)電源故障，并在必要時(shí)自動(dòng)切換到備用電源。RST引腳提供外部按鈕功能，并作為電源故障事件的指示器。

2. 時(shí)間服務(wù)器軟件

首先搭建一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，簡(jiǎn)稱IDE。Arduino官網(wǎng)平臺(tái)下載需要的IDE版本，下載完成后，按步驟進(jìn)行安裝，開(kāi)發(fā)環(huán)境就完成后就可以在Arduino進(jìn)行單片機(jī)開(kāi)發(fā)了。

Arduino主板A與網(wǎng)絡(luò)模塊連接就構(gòu)成了一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)NTP時(shí)間服務(wù)器的客服端，通過(guò)NTP時(shí)間協(xié)議來(lái)獲得一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。然后按照年月日時(shí)分秒的格式通過(guò)串口發(fā)送給Arduino主板B，以方便Arduino主板B校準(zhǔn)內(nèi)部時(shí)間。Arduino主板A程序流程圖如圖（2）：

初始化的過(guò)程主要有設(shè)置動(dòng)態(tài)IP地址、MAC地址、NTP Server地址、時(shí)區(qū)、UDP端口、看門(mén)狗、串口1/2的波特率以及校驗(yàn)位。獲取標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的發(fā)送請(qǐng)求后看是否獲得應(yīng)答，獲得應(yīng)答就通過(guò)串口2將時(shí)間發(fā)送出去，沒(méi)有得到應(yīng)答延時(shí)200ms再次請(qǐng)求，直到得到應(yīng)答，程序設(shè)定延時(shí)10分鐘后再次重復(fù)以上流程。

Arduino主板B與網(wǎng)絡(luò)模塊和實(shí)時(shí)時(shí)鐘DS3231連接組成內(nèi)部局域網(wǎng)的NTP服務(wù)器，通過(guò)交換機(jī)給內(nèi)部的局域網(wǎng)提供一個(gè)安全可靠的時(shí)間。兩個(gè)單片機(jī)經(jīng)過(guò)串口通信后，Arduino主板B獲得Arduino主板A發(fā)送的時(shí)間后對(duì)內(nèi)部實(shí)時(shí)時(shí)鐘進(jìn)行校準(zhǔn)。Arduino主板B程序流程圖（3）如下：

初始化的過(guò)程主要有設(shè)置靜態(tài)IP地址、MAC地址、串口2波特率以及校驗(yàn)位、看門(mén)狗，實(shí)時(shí)時(shí)鐘DS3231通過(guò)串口2接收到Arduino主板A發(fā)送的時(shí)間后，按照年月日時(shí)分秒的格式與實(shí)時(shí)時(shí)鐘DS3231的時(shí)間行比對(duì)，如果比對(duì)時(shí)間不一致則調(diào)整實(shí)時(shí)時(shí)鐘DS3231的時(shí)間。

Arduino主板B接收到計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的時(shí)間請(qǐng)求時(shí)，讀取DS3231的時(shí)間再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模塊W5100發(fā)送給內(nèi)部局域網(wǎng)的計(jì)算機(jī)。

3. 總結(jié)

該時(shí)間服務(wù)器在地球站經(jīng)過(guò)兩年多時(shí)間的運(yùn)行，滿足了內(nèi)部局域網(wǎng)計(jì)算機(jī)時(shí)間一致性。廣播電視系統(tǒng)中要求的安全等級(jí)都比較高，所以在解決問(wèn)題時(shí)，首先要把安全性放在第一位。本設(shè)備就是首先考慮到安全性的前提下，通過(guò)串行接口隔離兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的辦法來(lái)解決問(wèn)題，希望通過(guò)此案例給廣大從業(yè)人員提供解決問(wèn)題的一點(diǎn)思路。

參考文獻(xiàn)：

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[3]Arduino官方網(wǎng)站.http：//www.arduino.cc