NTP网络授时系统设计与实现——NTP服务器端授时服务软件设计与实现.docx

第4章NTP效劳器端授时效劳软件设计与实现NTP效劳器端的授时效劳软件主要包括三个功能模块：参数设置、时钟检查与校正和NTP效劳。因参数设置局部相对较简洁，只是对参数设置文件的简洁读写，本章重点介绍CLinux系统开发平台的建立和另外两个功能模块的设计实现，同时对GPS授时、NTP协议等相关背景学问作简洁介绍。因本系统效劳器的硬件开发只停留在电路设计阶段，还没有形成实际的产品，故效劳器端软件的开发，在SmalIARM2200开发试验板上完成。SmartARM2200开发试验板，是一款承受ARM7TDMI芯片，带有RS232串口、JTAG接口、IOM以太网接口，完全支持CLinux的试验开发设备，可完全模拟本系统所设计效劳器的软件和硬件环境。要完成开发工作，首先要将CLinux移植到试验开发板上，建立穿插编译环境。系统开发平台的建立1.inux操作系统下ARM应用程序开发平台的建立，包括CLinux穿插编译环境的建立、CLinux内核编译以及CLinux环境下的应用程序开发。4.1.1 4cLimIX穿插编译环境的建立117由于嵌入式Linux的开发板资源有限，不行能在开发板上运行开发和调试工具。通常需要穿插编译调试的方式进展，即“宿主机+目标机（开发板）”的形式。目标机和宿主机一般承受串口进展连接，也可同时使用以太网口连接。宿主机是运行Linux的PC,可以是安装了Linux操作系统的本地机，亦可以是Linux效劳器。宿主机和目标机的处理器通常状况下都不会一样。本工程中，宿主机是安装/RedhatEL4AS的X86架构PC机，而目标机则承受SmartARM2200型试验开发板，要完成程序开发，宿主机需要建立适合于目标机的穿插编译环境。程序在宿主机上编译一连接一定位，得到的可执行文件则在目标机运行。在宿主机上安装RedhatEL4AS系统，由于目标板平台处理器是ARM,因而需要安装GCC针对ARM的编译器。适用于CLinux的编译器为arm-elf-gcc。arm-elf-gcc安装步骤为：1.将编译器文件arm-elf-tools-20040427.sh拷贝到名目usrsrc下，为arm-elf-tools-20040427.sh增加可执行权限:#ChmOd755arm-elf-20040427.sh2 .安装arm-elf-gcco执行arm-elf-tools-20040427.sh：./artn-elf-tools-20040427.sh安装完毕后，查看usrlocalbin名目下是否存在arm-elf-gcc等文件，假设存在，根本可以确定穿插编译器安装成功。3 .添加穿插编译器的路径。一般状况下安装过程会自动执行，并在下次启动还有效。exportPATH=$PATH：usrlocalan-elfbin4.1.2,编译CLinux1 .将CLinux源码包CLinux-dist-20040408.tar.gzn8i拷贝到名目如usrsrc下，并解压。tarzxvfCLinux-dist-20040408.tar.gz解压后，在当前名目下会多出文件夹CLinux-dist,即CLinux源代码名目。2 .为SmartARM2200开发板和LPC2200芯片打补丁。将光盘附带的补丁文件CLinux-dist-20040408-lpc-chy-cmj.patch拷贝到当前名目下，并执行：catCLinux-dist-20040408-lpc-chy-cmj.patchpatch-pl-dCLinux-dist为LPC2200打补丁后，在CLinux平台内核配置的时候将会有LPC2200的选项。3 .配置CLinux(1)配置方式可以通过3种方式配置CLinux,分别是makeconfig>makemenuconfig和makexconfig。各命令使用范围不一样，但效果是一样的。各命令说明如下：makeconfig-命令行方式，适用于掌握台和图形终端makemenuconfig一文本菜单方式，适用于掌握台和图形终端makexconfigX窗口图形界面方式，仅适用于图形终端由于文本菜单的配置方式，既可在终端掌握台使用，亦可在图形终端下使用，再由于其配置直观性，因而承受这种配置方式。(2)配置CLinux和文件系统口9建终端或者在掌握台(CTRL+ALT+F1F6进入6个掌握台的1个)下,进入CLinux源代码所在的名目，如usrsrcCLinux-dist。cdusrsrcIp(LX-dist假设不是进展第一次编译，需要先去除以前编译产生的关心文件和目标文件，以保证编译的正确性。假设是第一次编译则可省略。makedistclean通过文本菜单方式配置CLinu0makemenuconfig在配置界面中按提示设置相应的厂商/产品、内核版本、函数库版。SmartARM2200开发试验板使用的是PHlLIPS的LPC2200芯片，使用随机光盘供给的补丁文件后，只需对平台进展根本设置，最终选择DefaUltaHSettingS后退出保存即可。建立源代码文件依靠关系(第一次必需执行)：makedep编译内核：make编译完毕，会在CLinux安装名目下建立romfs和images两个名目。其中romfs为romfs文件系统的临时存放名目，里面有很多有用程序；images为生成的目标代码名目，其中ronfs.img为romfs文件系统的映象文件，image.bin为文件系统和内核代码的目标文件。在IinUX2.4.x名目下会有一个Iinux文件，是编译好的内核文件，为elf格式。这些文件可用于进展CLinux内核试验。(3)下载CLinux内核到开发板先在WilKk)WS环境下，PC机使用串口与目标板连接，使用超级终端将开发板随机光盘上的BootLoader程序下载到开发板。使用PC机网口与开发板相连，启动到IinUX系统，启动开发板进入FrPSeNer模式，在PC机上使用FTP客户端软件gFtp将编译好的CLinux内核以及文件系统传送到开发板。(4)启动CLinux宿主机启动到Iinux系统，使用串口与目标板相连，翻开终端窗口，运行minicom并进展相应设置，将目标板复位重启，即可依据终端窗口的提示启动至CLinUX系统。4 .配置NFS在宿主机Iinux系统中配置并启动NFS效劳，关闭系统防火墙，去掉iptables效劳，在NFS效劳器设置中添加相应的共享名目，即可完成整个穿插编译环境的设置。环境设置完成后，即可在宿主机端编写系统软件，经过arm-elf-gcc进展穿插编译后，通过minicom在目标机上运行系统程序了。4. 2时钟检查与校正模块设计与实现本系统所实现的时钟检查与校正模块，其主要功能，是对效劳器串口进展初始化，通过对串口接收数据的分析，自动推断外接准确时钟源的类型，从中分别出标准时钟信号，与自身时钟进展比对，如时钟偏差超过系统设置的上限，则将自身时钟校正为标准时钟。本系统实现实际支持的外接时钟源，包括艳（钵）原子钟、GPS、北斗卫星定位系统和CDMA终端等。因对各种外接时钟源的操作根本全都，仅接收信号的格式有差异，故本文只以GPS授时为例，对系统的设计实现进展说明。4.1.1 GPS授时根本原理GPS是NAVSTAR/GPS（NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem）的简称，是由美国国防部研制的导航卫星测距与授时、定位和导航系统，由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，这24颗卫星等间隔分布在6个互成60度的轨道面上，这样的卫星配置根本上保证了地球任何位置均能同时观测到至少4颗GPS卫星附。GPS由三局部构成：一是GPS卫星（空间局部）：21颗工作卫星，3颗备用卫星；二是地面支撑系统（地面监控局部）：1个主控站，3个注入站，5个监测站；三是GPS接收机（用户局部）：接收GPS卫星放射信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成导航和定位工作。GPS的根本授时原理是：卫星不连续地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置，三维方向以及运动速度和时间信息）。GPS的根本原理示意如以下图。(XI-X)2-Kyry)2+(z1-z)2+c2-(t-1)=d12(x2-x)2Xyj-y)2+(¾-z)2+c2(t-1)三2(3-)2-K-y)2+(-z)2+c2(t-)=2(XrX)2%.y>+(zrz>+c2(t-tw)=2求解未知数(x，y，Z/t)定位定时图4-1GPS授时原理在本系统中，可以从GPS模块的输出信号中直接猎取时间信息，故对GPS定位信息的解算方法不做具体介绍。4.1.2 GPS数据接收本系统开发过程中，选择了串行接口的GPS接收机。所使用GPS接收机的串口通信协议为：串口的传输率可调，默认值为4800bpso无奇偶校验，8个数据位，1个起始位，1个停顿位。GPS板输出的数据是以美国国家海洋电子协会(NationalMarineElectromcsASSOCiatiOn)的NMEAO183ASCII码接口协议为根底的。输出为多条语句，内容包括经度、纬度、速度、方位角、高度、世界时、星历等信息。另外，GPS还可直接输出秒脉冲(IPPS),其精度高达土ls0本系统的软件设计，承受从GPS的串行接口输出信号出分别时钟信号的方式来猎取标准UTe时间。4.1.3 NMEA0183数据格式22NEMAO183输出语句的格式如以下图所示: hh <CR><LF>检验和检验和 终止符符号（回车，换行）$AACCC,dddddd,起始tt语句头j<发送的语句名数据内容域分隔符图4-2NMEAoI83输出语句的构造示意图其中以ASCn码为输出形式的NMEA0183的RMC（RecommendedMinimumSpeciflCGPS/TRANSITData,推举定位信息）语句如下：$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*hh<CR><LF>< 1>UTC时间，hhmmss（时分秒）格式< 2>定位状态，A二有效定位，V=无效定位< 3>纬度ddmm.mmmm（度分）格式（前面的0也将被传输）< 4>纬度半球N（北半球）或S（南半球）< 5>经度dddmm.mmmm（度分）格式（前面的0也将被传输）<6>经度半球E（东经）或W1西经）<7>地面速率（OOO.0999.9节，前面的0也将被传输）<8>地面航向（OOo.0359.9度，以真北为参考基准，前面的0也将被传输）<9>UTC日期，ddmmyy（日月年）格式<10>磁偏角（000.0-180.0®,前面的0也将被传输）<11>磁偏角方向，E（东）或W（西）<12>模式指示（仅NMEAOI833.00版本输出，A=自主定位，D=差分，E=估算，N二数据无效）除了RMC语句以外，GlobalPositioningSystemFixData（GGA）GPS定位信息、GeographicPosition（GLL）定位地理信息和Dataandtime（ZDA）时间和日期信息中，也都包含时间信息。4.2.4时钟检查与校正模块的实现GPS授时模块的流程如以下图所示：图4-3GPS授时模块流程图在实现过程中，最关键的是对RS232串口的操作，