基于STM32和W5100的SNTP服务器设计
0 引言
随着信息技术和网络技术的飞速发展，网络互连已经渗透到国民经济的各行各业。而网络时间同步也越来越受到重视，特别是局域网时间同步在国家安全和国民经济的诸多领域(如国防军工、电信网、金融业、交通运输、电子商务和电力系统等部门)越发不可或缺。随着嵌入式技术的发展，嵌入式与网络时间同步技术的结合，无疑具有良好的发展前景。
1 方案设计
目前网络授时的实现方法有很多种，本文采用自行设计的嵌入式系统并在上面实现sntp协议。从而完成网络时间的同步。其系统框图如图l所示。
本系统采用c/s模型，分为网络授时同步服务器和客户端两大部分，本文主要对网络授时服务器部分进行研究。
在网络授时同步服务器中，处理器stm32f103由内部rtc模块结合日历算法来给出时间信息(年月日时分秒)，再从gps获取时间信息，并修正自己的时间，最后结合w5100芯片搭建出一个时间服务器。当客户端向服务器发出请求时，便可同步地统一客户端的时间信息，并达到ms级精度。网络传输时需实现sntp应用层协议，设计中通过构造sntp协议包，并根据同步算法可计算出包交换的往返延迟。
本系统采用st公司基于cortex-m3内核的stm32系列处理器.cortex-m3内核是专门用于设计高性能、低功耗、低成本、实时性嵌入式应用系统的处理器核，它在提升性能的同时，又提高了代码密度的thumb-2指令集，同时也大幅度提高了中断响应的紧耦合嵌套向量中断控制器的性能。所有新功能都同时具有业界最优的功耗水平。
tcp/ip协议栈的实现采用的固件芯片w5100是韩国wiznet公司推出的固件网络芯片，它集tcp/ip协议栈、以太网mac和phy为一体，可支持tcp，udp、icmp、igmp、ipv4、arp，pppoe、ethemet等网络协议;同时支持4个独立的socket通信，内部16 k字节的发送/接收缓冲区可快速进行数据交换，最大通信速率可达到25mbps。此外，w5100还内嵌10baset/100basetx以太网物理层，可支持自动应答(全双工/半双工模式)，并提供多种总线(两种并行总线和spi总线)接口方式，可以方便地与各种mcu连接。w5100器件的推出大大简化了硬件电路设计，可使微控制器在没有操作系统支持的情况下，真正的实现单芯片接入internet。
2 sntp协议分析
sntp即简单网络时间协议，它是一个用于局域网子网末端的时间同步协议，其要求在操作过程中只允许存在一个可靠的同步时钟源，是ntp协议的一个简化版本。
2.1 sntp的同步原理
sntp协议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。它的时间同步原理的传输模型如图2所示。
图2中，t1为客户方发送查询请求时间(以客户方时间系统为参照)，t2为服务器收到查询请求时间(以服务器时间系统为参照)，t3为服务器回复时间信息包时间(以服务器时间系统为参照)，t4为客户方收到时间信息包时间(以客户方时间系统为参照)，d1为请求信息在网上传播所消耗的时间，d2为回复信息在网上传播所消耗的时间。假设请求和回复在网上的传播时间相同，即：δ1=δ2，则可得出如下公式：
式中，θ为客户端时间与标准时间之差，δ为信息在网上传播的时间。可以看到，θ、δ只与t2、t1的差值和t4、t3的差值相关，而与t2、t3的差值无关，即最终的结果与服务器处理请求所需的时间无关。据此，客户端(client)即可通过t1、t2、t3、t4十算出的时差0去调整本地时钟。
2.2 sntp协议格式
sntp消息一般封装在udp报文中，udp的端口号是123，udp头中的源端口和目的端口是一样的。sntp消息紧跟在ip和udp报头之后，其协议格式如图3所示。
图3中，u为跳跃指示器，可警告在当月最后一天的最终时刻插入的迫近闺秒(闺秒)。vn表示版本号。mode为模式，该字段包括以下值：
o(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连续信息间的最大间隔。precision表示有符号整数，表示本地时钟精确度。root delay为有符号固定点序号，表示主要参考源的总延迟，如很短时间内的15到16间的分段点。root dispersion为无符号固定点序号表示相对于主要参考源的正常差错，如很短时间内的位15到16间的分段点。
reference identifier为识别特殊参考源。originate timestamp是向服务器请求分离客户机的时间，采用64位时标(timestamp)格式。 receive timestamp是向服务器请求到达客户机的时间。也采用64位时标(timestamp)格式。transmit timestamp是向客户机答复分离服务器的时间。采用64位时标(timestamp)格式。
3 硬件设计
图4所示为w5100部分的电路图，图中给出了w5100与stm32的连接方式及其外围电路。
w5100和stm32可通过spi方式通信。通过对sen管脚用10 kω电阻上拉到高电平可允许spi模式;由于w5100处于spi从模式，因此，其spi工作时钟由处于主模式的stm32提供，miso和mosi为用于spi通信的两条数据线，sclk为spi时钟引脚;*****为片选引脚，低电平有效，主要用于在并行总线连接时由mcu访问w5100内部寄存器或存储器;int为中断输出引脚，低电平有效，在w5100在socket端口产生连接、断开、接收数据、数据发送完成以及通信超时等情况下，该引脚将输出信号以指示mcu。中断将在写入中断寄存器ir或端口的中断寄存器时被清除，所有中断都可以被屏蔽。w5100的第5、6、8和9脚是以太网物理层信号引脚，用于与rj45接口相连接，其中第5和第6引脚是rxip/rxln信号对，用于接收从介质传来的差分数据，第8和第9引脚是txop/txon信号对，用于将差分数据发送给介质;第66引脚是连接led指示引脚，低电平表示10/100mbps连接状态正常，连接正常时输出低电平，而在tx/rx状态时闪烁;第72引脚是接收状态led指示引脚，低电平表示当前接收数据，第73引脚是发送状态led指示引脚，低电平表示当前发送数据，这些led指示引脚应与rj45的相应led指示灯引脚连接，以用于指示连接状态。除电源引脚、时钟引脚外，w5100的其它引脚do～d7，ao～a14及wr～rd可选择悬空。
图5所示是gps模块与stm32的连接示意图。gps接收模块采用holux生产的gps模块m87gps，模块的串行口输出和输入分别接到stm32的输入与输出，秒脉冲pps信号连接到处理器的io口，在秒脉冲(1pps)同步的情况下，系统将实时精准地通过串口把标准的utc时间传送给处理器stm32。
4 sntp服务器的软件设计
sntp服务器的软件设计主要可分为两个部分：w5100的驱动设计和sntp协议的软件实现。其软件流程图如图6所示。
首先，利用st公司提供的固件库可初始化stm32的系统配置，把spi接口配置为两线单向全双工传输、主模式，以8位数据帧的格式进行传输;同时配置rtc模块产生秒脉冲，再与日历算法结合得到自身的系统时间，然后通过gps的秒脉冲pps修正系统时间。再通过配置w5100公共寄存器和端口寄存器来完成它的基本设置、网络信息以及端口存储器信息的没置，使之为udp服务器模式。此后，w5100处于*状态，一旦w5100的socket端口有中断事件，w5100将触发stm32的外部中断，stm32若检测到soekrecvflag发生改变，则立即开始sntp协议的解析。
接收sntp协议包后，便可记录收到报文的时间t2，然后从报文中解析出时间戳t1，再将t1、t2封装成新的报文进行发送，同时发送时再记录一个发送时间t3。
5 结束语
本文基于stm32和w5100搭建了一个网络服务器硬件平台，并在其上实现了sntp同步时间报文。经测试，本系统运行稳定，并可实现对客户端pc机的时钟同步。通过该系统可有效解决工业控制等领域的时间不同步问题。
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高性能图像传感器处于增长的安防市场的前端
如何实施物联网预测性维护解决方案
DCS控制系统模件冗余电源的实现
示波器有源探头对测量的影响有哪些
基于STM32和W5100的SNTP服务器设计
高效晶圆背面清洁工艺显得尤为重要
霍尔元件的灵敏度与哪些因素有关
压敏电阻能随便用吗？型号挑选有很多窍门
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1 方案设计
目前网络授时的实现方法有很多种，本文采用自行设计的嵌入式系统并在上面实现sntp协议。从而完成网络时间的同步。其系统框图如图l所示。
本系统采用c/s模型，分为网络授时同步服务器和客户端两大部分，本文主要对网络授时服务器部分进行研究。
在网络授时同步服务器中，处理器stm32f103由内部rtc模块结合日历算法来给出时间信息(年月日时分秒)，再从gps获取时间信息，并修正自己的时间，最后结合w5100芯片搭建出一个时间服务器。当客户端向服务器发出请求时，便可同步地统一客户端的时间信息，并达到ms级精度。网络传输时需实现sntp应用层协议，设计中通过构造sntp协议包，并根据同步算法可计算出包交换的往返延迟。
本系统采用st公司基于cortex-m3内核的stm32系列处理器.cortex-m3内核是专门用于设计高性能、低功耗、低成本、实时性嵌入式应用系统的处理器核，它在提升性能的同时，又提高了代码密度的thumb-2指令集，同时也大幅度提高了中断响应的紧耦合嵌套向量中断控制器的性能。所有新功能都同时具有业界最优的功耗水平。
tcp/ip协议栈的实现采用的固件芯片w5100是韩国wiznet公司推出的固件网络芯片，它集tcp/ip协议栈、以太网mac和phy为一体，可支持tcp，udp、icmp、igmp、ipv4、arp，pppoe、ethemet等网络协议;同时支持4个独立的socket通信，内部16 k字节的发送/接收缓冲区可快速进行数据交换，最大通信速率可达到25mbps。此外，w5100还内嵌10baset/100basetx以太网物理层，可支持自动应答(全双工/半双工模式)，并提供多种总线(两种并行总线和spi总线)接口方式，可以方便地与各种mcu连接。w5100器件的推出大大简化了硬件电路设计，可使微控制器在没有操作系统支持的情况下，真正的实现单芯片接入internet。
2 sntp协议分析
sntp即简单网络时间协议，它是一个用于局域网子网末端的时间同步协议，其要求在操作过程中只允许存在一个可靠的同步时钟源，是ntp协议的一个简化版本。
2.1 sntp的同步原理
sntp协议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。它的时间同步原理的传输模型如图2所示。
图2中，t1为客户方发送查询请求时间(以客户方时间系统为参照)，t2为服务器收到查询请求时间(以服务器时间系统为参照)，t3为服务器回复时间信息包时间(以服务器时间系统为参照)，t4为客户方收到时间信息包时间(以客户方时间系统为参照)，d1为请求信息在网上传播所消耗的时间，d2为回复信息在网上传播所消耗的时间。假设请求和回复在网上的传播时间相同，即：δ1=δ2，则可得出如下公式：
式中，θ为客户端时间与标准时间之差，δ为信息在网上传播的时间。可以看到，θ、δ只与t2、t1的差值和t4、t3的差值相关，而与t2、t3的差值无关，即最终的结果与服务器处理请求所需的时间无关。据此，客户端(client)即可通过t1、t2、t3、t4十算出的时差0去调整本地时钟。
2.2 sntp协议格式
sntp消息一般封装在udp报文中，udp的端口号是123，udp头中的源端口和目的端口是一样的。sntp消息紧跟在ip和udp报头之后，其协议格式如图3所示。
图3中，u为跳跃指示器，可警告在当月最后一天的最终时刻插入的迫近闺秒(闺秒)。vn表示版本号。mode为模式，该字段包括以下值：
o(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连续信息间的最大间隔。precision表示有符号整数，表示本地时钟精确度。root delay为有符号固定点序号，表示主要参考源的总延迟，如很短时间内的15到16间的分段点。root dispersion为无符号固定点序号表示相对于主要参考源的正常差错，如很短时间内的位15到16间的分段点。
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3 硬件设计
图4所示为w5100部分的电路图，图中给出了w5100与stm32的连接方式及其外围电路。
w5100和stm32可通过spi方式通信。通过对sen管脚用10 kω电阻上拉到高电平可允许spi模式;由于w5100处于spi从模式，因此，其spi工作时钟由处于主模式的stm32提供，miso和mosi为用于spi通信的两条数据线，sclk为spi时钟引脚;*****为片选引脚，低电平有效，主要用于在并行总线连接时由mcu访问w5100内部寄存器或存储器;int为中断输出引脚，低电平有效，在w5100在socket端口产生连接、断开、接收数据、数据发送完成以及通信超时等情况下，该引脚将输出信号以指示mcu。中断将在写入中断寄存器ir或端口的中断寄存器时被清除，所有中断都可以被屏蔽。w5100的第5、6、8和9脚是以太网物理层信号引脚，用于与rj45接口相连接，其中第5和第6引脚是rxip/rxln信号对，用于接收从介质传来的差分数据，第8和第9引脚是txop/txon信号对，用于将差分数据发送给介质;第66引脚是连接led指示引脚，低电平表示10/100mbps连接状态正常，连接正常时输出低电平，而在tx/rx状态时闪烁;第72引脚是接收状态led指示引脚，低电平表示当前接收数据，第73引脚是发送状态led指示引脚，低电平表示当前发送数据，这些led指示引脚应与rj45的相应led指示灯引脚连接，以用于指示连接状态。除电源引脚、时钟引脚外，w5100的其它引脚do～d7，ao～a14及wr～rd可选择悬空。
图5所示是gps模块与stm32的连接示意图。gps接收模块采用holux生产的gps模块m87gps，模块的串行口输出和输入分别接到stm32的输入与输出，秒脉冲pps信号连接到处理器的io口，在秒脉冲(1pps)同步的情况下，系统将实时精准地通过串口把标准的utc时间传送给处理器stm32。
4 sntp服务器的软件设计
sntp服务器的软件设计主要可分为两个部分：w5100的驱动设计和sntp协议的软件实现。其软件流程图如图6所示。
首先，利用st公司提供的固件库可初始化stm32的系统配置，把spi接口配置为两线单向全双工传输、主模式，以8位数据帧的格式进行传输;同时配置rtc模块产生秒脉冲，再与日历算法结合得到自身的系统时间，然后通过gps的秒脉冲pps修正系统时间。再通过配置w5100公共寄存器和端口寄存器来完成它的基本设置、网络信息以及端口存储器信息的没置，使之为udp服务器模式。此后，w5100处于*状态，一旦w5100的socket端口有中断事件，w5100将触发stm32的外部中断，stm32若检测到soekrecvflag发生改变，则立即开始sntp协议的解析。
接收sntp协议包后，便可记录收到报文的时间t2，然后从报文中解析出时间戳t1，再将t1、t2封装成新的报文进行发送，同时发送时再记录一个发送时间t3。
5 结束语
本文基于stm32和w5100搭建了一个网络服务器硬件平台，并在其上实现了sntp同步时间报文。经测试，本系统运行稳定，并可实现对客户端pc机的时钟同步。通过该系统可有效解决工业控制等领域的时间不同步问题。
进入整车制造，百度的造车之路才能走得更远更踏实
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示波器有源探头对测量的影响有哪些
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压敏电阻能随便用吗？型号挑选有很多窍门
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74ls173中文资料汇总（74ls173引脚图及功能_逻辑图及特性）
ipv6的到来对SDN带来了什么影响
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