引言

网络时间协议NTP（Network Time Protocol）是由RFC 1305定义的时间同步协议，用来在分布式时间服务器和客户端之间进行时间同步。NTP采用UDP进行数据传输，端口号为123，可提供了1～50 ms 的精确度，精确度取决于同步源和网络路径等特性［1］。

简单网络时间协议SNTP（Simple Network Time Protocol）是一个简化了的NTP服务器和NTP客户端策略，SNTP在协议实现上没有什么更改，在最近也不会有什么变动。 访问范例与UDP/TIME 协议是一致的，实际上，SNTP应该更容易适用于使用个人计算机的UDP/TIME 客户，而且SNTP 也被设计在一个专门的服务器( 包括一台集成的无线电时钟)上操作［2］。SNTP主要通过同步算法来交换时间服务器和客户端的时间戳，从而估算出数据包在网络上的往返延迟，进而独立地估算系统的时钟偏差。SNTP报文格式如图1所示。

LI用于表示闺秒(闺秒)；VN表示版本号；Mode为模式，该字段包括0(预留)、1(对称行为)、3(客户机)、4(服务器)、5(广播)、6(NTP控制信息)；Stratum用于对本地时钟级别的整体识别；Poll表示有符号整数表示的连续信息间的最大间隔；Precision表示本地时钟精确度；Root delay表示主要参考源的总延迟；Root dispersion表示相对于主要参考源的正常差错；Reference identifier指示系统时钟最后一次校准的时间，该字段仅在服务器端有效；Originate timestamp表示客户端向服务品发起请求的时间；Receive timestamp是服务器接收到客户端同步请求的时间；Transmit timestamp是服务器向客户端发送响应的时间。假设客户端与服务器之间请求与响应的网络耗时相同，则客户端通过SNTP同步后的时间接近为：Transmit timestamp + (Receive timestamp - Originate timestamp)。

图1 SNTP报文格式

1 硬件设计

基于TI公司CortexM3内核的LM3S9D96平台的硬件系统框图如图2所示。

图2 硬件系统框图

Power：系统工作电源，采用DC 5 V，由外置Adaptor设备提供。整个系统的电源包括：5 V、3.3 V、1.8 V。

LED：通过4个LED指示一些重要功能模块的工作状态，如5 V电源、RTC、LAN及软件的运行状态等。

LAN：Internet通信接口，实现标准TCP/IP互联网通信，TI公司的CortexM3系列片上集成一个以太网控制器PHY和媒体访问控制器MAC，遵循IEEE802.3规范，完全支持10BASET和100BASETX标准，所以LAN电路就变得格外简单，仅需要一个带隔离变压器的RJ45端子和几个电阻电容即可。

Clock：为整个系统提供16 MHz和25 MHz时钟源。

EEPROM：采用512 Kb SPI接口EEPROM，存储一些采集到的重要运行数据及系统配制参数，如IP地址、子网掩码、网关及DNS服务器、SNTP时间服务器、时区等。

Recover:恢复出厂设置，当上电时按住此键可使系统所有参数恢复到出厂默认值。

RTC：采用Maxim公司的DS1302实时时钟芯片。

2 软件设计

系统软件基于FreeRTOS实时操作系统和LwIP以太网协议栈进行设计。FreeRTOS和LwIP均是开源，而LwIP本身不支持SNTP功能。RTC实时时钟DS1302硬件电路，为实现SNTP提供了硬件支持，但时钟精确度随着运行时间累积，误差会逐渐显现，而SNTP网络对时正好弥补此缺陷。整个软件系统框架图如图3所示。

图3 系统软件框架

图4 工作流程图

主体软件可分为3个功能块进行实现：①SNTP获得网络时钟；②DS1302时钟调整；③通过HTTP以网页方式显示当前时钟。它们分别对应图3中SNTP Task、RTC Task、HTTP Task三个任务，工作流程如图4所示。对于HTTP Task，采用经典的B/S架构，网页开发可选用AJAX技术，实现简单，对于不同的访问终端支持，开发起来也方便，在此不做详细介绍。这里仅给出SNTP Task和RTC Task二个功能模块的软件流程图，分别如图5和图6所示。

图5 SNTP Task流程图

任务一直处于阻塞（Blocked）状态，直到周期时刻。根据DS1302时钟精确度特性，通常8小时会出现1 s延误，所以实际应用中可将SNTP同步同期设置为7天一次，即确保一定时钟精度,又可降低网络开销。

图6 RTC Task流程图

3 方案验证

为了对本系统进行方案验证，可将SNTP同步周期时间间隔设置为2 min一次，这样可快速验证。SNTP Server可采用知名的时间服务器,如210.72.145.44 (国家授时中心服务器)，在此采用hq.chinterlink.com服务器。图7是还没有启用SNTP同步功能时的RTC DS1302时钟。

图8是启用SNTP同步功能后，经过SNTP同步后的RTC时钟，此时RTC和真实时间基本相同，说明SNTP功能生效，且工作正常,通常同步误差为ms级。

图7 SNTP同步前与真实时间的对比

图8 SNTP同步后与真实时间的对比

结语

本文实现了一个基于FreeRTOS实时操作系统的SNTP网络对时设计方案。通过SNTP功能，可将系统的实时时钟RTC与网络时钟同步，确保系统时间一直保持较高的精度。所使用的FreeRTOS和LwIP均为开源，LM9D96片内集成以太网收发器，适用于成本敏感而又需要高精度的时钟应用场合。