摘 要： 針對實際應用中高精度時間同步的需求，需要設計一種支持多種授時格式的授時服務器,，提出了一種基于UM-220T北斗模塊,、ARM處理器和CPLD的時間統(tǒng)一服務器,。該服務器能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡時間協(xié)議（NTP）和IRIG-B碼協(xié)議,。給出了實現(xiàn)過程和測試結(jié)果。
關鍵詞： 北斗,；NTP,；IRIG-B；ARM
現(xiàn)代高技術戰(zhàn)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(wěn)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(diào)整[1]。對于聯(lián)網(wǎng)的主機,，使用網(wǎng)絡時間協(xié)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(lián)網(wǎng)，同時很多裝備需要進行機動,，無法接入專用網(wǎng)絡,，為滿足時間同步要求，可在系統(tǒng)內(nèi)架設專用的時間同步服務器,，為系統(tǒng)內(nèi)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(wèi)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(gòu)建以我國自主導航系統(tǒng)——北斗系統(tǒng)為源的時間統(tǒng)一服務器，能進行系統(tǒng)內(nèi)主機的網(wǎng)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(xié)議
網(wǎng)絡時間協(xié)議NTP（Network Time Protocol）是互聯(lián)網(wǎng)普遍使用的時間同步協(xié)議,，在全世界各地都分布有NTP服務器，對于聯(lián)網(wǎng)的計算機可以通過NTP協(xié)議進行授時,，授時精度對于廣域網(wǎng)可以達到10 ms,，對于局域網(wǎng)可以達到250μs[1]。
NTP協(xié)議使用時間戳來進行對時,，對于Server/Client模式,，設客戶端發(fā)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(wǎng)絡延遲σ=[(T2-T1)+(T4-T3)]/2?？蛻舳送ㄟ^時間偏差和網(wǎng)絡延遲來調(diào)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(qū)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(fā)送時,、分、秒,、天和年,，使用BCD碼進行發(fā)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(fā)生器的前沿精度略微低于1 pps信號,。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要包括北斗模塊,、ARM系統(tǒng),、CPLD和網(wǎng)絡接口4個部分。北斗模塊接收北斗衛(wèi)星信號,，輸出1 pps和NMEA0183導航授時電文,。網(wǎng)絡接口進行NTP數(shù)據(jù)包的收發(fā)，同時也是系統(tǒng)的控制終端,。IRIG-B發(fā)生器通過VHDL在CPLD內(nèi)部實現(xiàn),，與ARM系統(tǒng)通過SPI總線相連,，接收ARM系統(tǒng)提供的時鐘信號，在1 pps信號的同步下生成B碼,。ARM系統(tǒng)是本系統(tǒng)的核心,，運行Linux操作系統(tǒng)，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(fā)生器控制程序,。
3 系統(tǒng)硬件設計
系統(tǒng)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(xié)議,，在NMEA0183的基礎上增加了北斗專用語句。其1PPS信號的標準差1?滓=20 ns,，滿足本應用要求。
系統(tǒng)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(shù)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(tǒng)的主要功能需通過軟件實現(xiàn)，軟件設計內(nèi)容主要包括Linux系統(tǒng)移植,、NTP服務器程序的移植,、B碼發(fā)生器控制應用程序的編寫和IRIG-B碼發(fā)生器的VHDL實現(xiàn)。
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(wěn)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(xié)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(tǒng)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：
strncmp(cp,"$GPRMC",6)==0…strncmp(cp,"$GPGGA",6)==0…strncmp(cp,"$GPGLL",6)==0…strncmp(cp,"$GPXXX",6)==0
修改為：
strncmp(cp,"$GPRMC",6)==0||strncmp(cp,"$GNRMC",6)==0||strncmp(cp,"$BDRMC",6)==0)
strncmp(cp,"$GPGGA",6)==0||strncmp(cp,"$GNGGA",6)==0||strncmp(cp,"$BDGGA",6)==0)
strncmp(cp,"$GPGLL",6)==0||strncmp(cp,"$GNGLL",6)==0||strncmp(cp,"$BDGLL",6)==0)
strncmp(cp,"$GPXXX",6)==0||strncmp(cp,"$GNXXX",6)==0||strncmp(cp,"$BDXXX",6)==0)
NMEA0138協(xié)議通過每一行的頭來區(qū)分該行數(shù)據(jù),。對NTP源程序修改以增加北斗專用語句頭,，"$GNRMC",、"$GNGGA"、"$GNGLL",、"$GNXXX"表示現(xiàn)在是北斗/GPS雙模,，"$BDRMC"、"$BDGGA",、"$BDGLL",、"$BD-
XXX"表示現(xiàn)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(nèi)容為：
export CC=arm-linux
./configure --host=arm-linux --enable-NMEA
make
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(tǒng)相應的文件夾內(nèi),。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(shù)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(jié)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(tǒng)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,。
4.2 IRIG-B碼發(fā)生器設計
為滿足系統(tǒng)內(nèi)專用設備的需求,，設計IRIG-B碼發(fā)生器，把北斗時間碼轉(zhuǎn)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(tǒng)同步時鐘,，授時精度與北斗模塊相同,。
IRIG-B碼發(fā)生器系統(tǒng)框圖如圖4所示，系統(tǒng)由100 MHz時鐘輸入作為本地時鐘,，通過內(nèi)部分頻模塊產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生1 kHz用于控制脈沖寬度,。發(fā)生器通過SPI接口與ARM系統(tǒng)相連，接受ARM系統(tǒng)控制,。
ARM系統(tǒng)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(fā)生器控制程序，在1PPS信號同步下取得本地時鐘,，轉(zhuǎn)換成IRIG-B碼格式,，通過SPI接口發(fā)送到CPLD內(nèi)部，程序流程圖如圖6所示,。
4.3 IRIG-B碼實測結(jié)果
IRIG-B碼發(fā)生器的測試結(jié)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(guī)范。
采用ARM+CPLD體系構(gòu)建時間統(tǒng)一服務器,，采用Linux和成熟穩(wěn)定的開源程序,，降低了系統(tǒng)的開發(fā)難度，提高了系統(tǒng)的可靠性,，采用CPLD硬件實現(xiàn)IRIG-B碼發(fā)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,。
參考文獻
[1] 黃沛芳.基于NTP的高精度時鐘同步系統(tǒng)實現(xiàn)[J].電子技術應用，2009,，35(7)：122-127.
[2] 宋妍,，朱爽.基于NTP的網(wǎng)絡時間服務系統(tǒng)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(wèi)星的授時系統(tǒng)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(xiàn)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(chǎn)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.