CN105187148A - 一种基于arm的网络时钟同步系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于ARM的网络时钟同步系统及方法，该系统包括如下：GPS卫星授时模块,通过卫星在短时间内获取卫星时间信息；NTP服务器,利用带操作系统的嵌入式处理器作为服务器，将接收的时间报文转为标准格式，并校准本机时间；硬件守时模块,用于储存NTP服务器最近校准的时间；客户端模块,获取服务器时间，同步本地系统时间。本发明提供实现简单，在局域网内为分布式时钟提供简便、快速、精确的时间校准，减小了由于互联网时间在传播过程的延迟等现象，保证了局域网内所有终端设备时间同步的准确性，具有设计合理、可靠性高、环境适应性强、体积小、使用方便、低功耗等特点。

Description

一种基于ARM的网络时钟同步系统及方法

技术领域

本发明涉及电子信息技术领域，尤其涉及一种基于ARM的网络时钟同步系统及方法。

背景技术

网络时钟同步是网络测量中面临的一个较为严重的问题，时钟的不同步会造成延迟、抖动和时间信息有关的测量准确性。

在实际应用中，许多现实生活中过程需要高精确度时间，如：重大考试各个考场的打铃、电力系统内众多的计算机监控系统、保护装置、故障录波器等方面，时间同步要在秒级甚至毫秒级以内。目前，同步时间主要依赖于互联网上网络时间协议NTP(networktimeprotocol)服务器，但是随着连入的设备越来越多，服务器距离较远，常常发生NTP服务器的访问拥堵和延时，不能及时同步时间，并且高度依赖互联网。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种成本低、授时准确的局域网内的时钟同步系统及方法，以解决分布式系统时钟不同步的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于ARM的网络时钟同步系统，包括：

GPS卫星授时模块、NTP服务器、硬件守时模块、客户端模块；

GPS卫星授时模块，用于获取卫星时间信息；

NTP服务器，用于解析获取的卫星时间信息，提取并转化为标准格式时间；还用于根据硬件守时模块获取时间信息；

硬件守时模块，用于NTP获取服务器最新更新的时间，并保持时间可靠计数，为NTP服务器提供时间；

客户端模块，用于接收NTP服务器提供的时间。

按上述方案，所述GPS卫星授时模块包括主机、以及与主机连接的天线和输出接口电路。

按上述方案，所述NTP服务器包括嵌入式ARM处理器模块和网络接口模块，所述ARM处理器模块包括复位电路、晶振电路、电源电路、JTAG仿真接口电路、LCD接口电路和I/O接口电路。

按上述方案，所述ARM处理器为移植入Linux操作系统的ARM处理器，所述ARM处理器的网卡驱动程序为移植入NTP协议的网卡驱动程序。

按上述方案，所述ARM处理器与GPS卫星授时模块连接。

按上述方案，所述硬件守时模块包括FPGA处理器、恒温晶振、秒脉冲和时标输出接口电路。

一种基于上述基于ARM的网络时钟同步系统的网络时钟同步方法，具体步骤为：

1)GPS授时模块根据超时授时算法，间隔3s采用一站单机授时极快获取卫星时间信息，并通过接口电路输送至NTP服务器；

2)NTP服务器将从GPS授时模块获取的信息解析，提取时间信息，并将其转化为标准时间格式，校准本地系统时间；

3)若NTP服务器时间有更新，硬件守时模块获取服务器最新更新的时间，采用恒温晶振以及FPGA处理器保持时间可靠计数；

4)客户端发送一个NTP消息给NTP服务器，该NTP消息带有它离开客户机时的时间戳T1；

5)当上述NTP消息到达服务器时，服务器加上自己的时间戳T2；

6)服务器再发送包括时间戳T2的NTP消息给客户机，此时再附加上它离开服务器时的时间戳T3；

7)当此NTP消息到达客户端时，客户端记录此时的时间戳T4。

8)客户端同时记录往返传输延迟时间ts，若ts大于10ms，则丢弃该NTP包，否则进行下一步；

9)由步骤4)至7)并根据NTP校时算法可得服务器和客户端之间的时间偏差t、两者之间单程的网络传输时间d：

$t=\frac{(T2-T1)-(T4-T3)}{2}$

d＝(T2-T1)+(T4-T3)

10)对步骤9)中计算的多个结果时间偏差t进行滤波，滤除传输时延较大的数据包，采用滤波后的时间偏差t校正本地客户端系统时间。

按上述方案，所述步骤2)中，NTP服务器采用卫星失步算法，若NTP服务器在30s内未接收到GPS时间信息，则从硬件守时模块获取时间。

按上述方案，所述步骤10)中对步骤9)中计算的多个时间偏差t进行滤波，滤除传输时延较大的数据包，采用滤波后的多个时间偏差t的算术平均值校正本地客户端系统时间。

本发明产生的有益效果是：

1.本发明提供了一种成本低、授时准确的局域网内的时钟同步系统及方法，以解决分布式系统时钟不同步的问题。

2.本发明用于在局域网内为分布式时钟提供简便、快速、精确的时间校准，减小了由于互联网时间在传播过程的延迟等现象，保证了局域网内所有终端设备时间同步的准确性，具有设计合理、可靠性高、环境适应性强、体积小、使用方便、低功耗等特点。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例网络时钟同步系统的结构示意图；

图2为嵌入式NTP服务器的工作流程图；

图3为客户端校时的工作流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种基于ARM的网络时钟同步系统，它包括GPS卫星授时模块、NTP服务器、硬件守时模块、客户端模块；

GPS卫星授时模块，用于获取卫星时间信息；

NTP服务器，用于解析获取的卫星时间信息，提取并转化为标准格式时间；还用于根据硬件守时模块获取时间信息；

硬件守时模块，用于NTP获取服务器最新更新的时间，并保持时间可靠计数，为NTP服务器提供时间；

客户端模块，用于接收NTP服务器提供的时间。

GPS授时模块包括主机、天线、输出接口电路；NTP服务器模块包括带Linux操作系统的嵌入式ARM处理器模块、NTP软件算法、网络接口模块；ARM理器模块包括复位电路、晶振电路、电源电路、JTAG仿真接口电路、LCD接口电路I/O接口电路；硬件守时模块包括FPGA处理器，其中包括高精度恒温晶振、秒脉冲及时标输出接口电路；客户端模块包括手机客户端模块、嵌入式客户端模块。

GPS卫星授时模块，采用一站单机授时，在极短时间内获取卫星信息，并且通过输出接口电路输送给NTP服务器。NTP服务器，移植入Linux操作系统的ARM处理器，修改ARM处理器的网卡驱动程序，移植NTP协议于网卡驱动处，减少处理器对NTP报文加盖时间戳的延迟；同时ARM处理器与GPS卫星授时模块连接在一起，将GPS输入的信息解析，获取标准时间并更新本地时间，服务器通过基于ARM嵌入式平台的Internet网络接口RS45网线连接到无线路由器上。硬件守时模块，采用高速的FPGA作为处理器以及高精度恒温晶振为基础电路，不断获取NTP服务器获取的最新时间，保证服务器在未获取卫星时间或者网络时间，NTP服务器可从硬件守时模块获得可靠时间；客户端模块，手机客户端以及嵌入式客户端连接到NTP服务器所在局域网，采用改进的NTP算法实时获取服务器时间并更新本地时间。

如图2和图3所示，一种基于上述基于ARM的网络时钟同步系统的网络时钟同步方法，具体步骤为：

1)GPS授时模块根据超时授时算法，间隔3s采用一站单机授时极快获取卫星时间信息，并通过接口电路输送至NTP服务器；

2)NTP服务器将从GPS授时模块获取的信息解析，提取时间信息，并将其转化为标准时间格式，校准本地系统时间；NTP服务器采用卫星失步算法，若NTP服务器在30s内未接收到GPS时间信息，则从硬件守时模块获取时间；

3)若NTP服务器时间有更新，硬件守时模块获取服务器最新更新的时间，采用恒温晶振以及FPGA处理器保持时间可靠计数；

4)客户端发送一个NTP消息给NTP服务器，该NTP消息带有它离开客户机时的时间戳T1；

5)当上述NTP消息到达服务器时，服务器加上自己的时间戳T2；

6)服务器再发送包括时间戳T2的NTP消息给客户机，此时再附加上它离开服务器时的时间戳T3；

7)当此NTP消息到达客户端时，客户端记录此时的时间戳T4。

8)客户端同时记录往返传输延迟时间ts，若ts大于10ms，则丢弃该NTP包，否则进行下一步；

9)由步骤4)至7)并根据NTP校时算法可得服务器和客户端之间的时间偏差t、两者之间单程的网络传输时间d：

$t=\frac{(T2-T1)-(T4-T3)}{2}$

d＝(T2-T1)+(T4-T3)

10)对步骤9)中计算的多个结果时间偏差t进行滤波，滤除传输时延较大的数据包，采用滤波后的时间偏差t或滤波后的多个时间偏差t的算术平均值校正本地客户端系统时间。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于ARM的网络时钟同步系统，其特征在于，包括：

GPS卫星授时模块、NTP服务器、硬件守时模块、客户端模块；

GPS卫星授时模块，用于获取卫星时间信息；

NTP服务器，用于解析获取的卫星时间信息，提取并转化为标准格式时间；还用于根据硬件守时模块获取时间信息；

硬件守时模块，用于NTP获取服务器最新更新的时间，并保持时间可靠计数，为NTP服务器提供时间；

客户端模块，用于接收NTP服务器提供的时间。

2.根据权利要求1所述的系统，所述GPS卫星授时模块包括主机、以及与主机连接的天线和输出接口电路。

3.根据权利要求1所述的系统，所述NTP服务器包括嵌入式ARM处理器模块和网络接口模块，所述ARM处理器模块包括复位电路、晶振电路、电源电路、JTAG仿真接口电路、LCD接口电路和I/O接口电路。

4.根据权利要求3所述的系统，所述ARM处理器为移植入Linux操作系统的ARM处理器，所述ARM处理器的网卡驱动程序为移植入NTP协议的网卡驱动程序。

5.根据权利要求1所述的系统，，所述ARM处理器与GPS卫星授时模块连接。

6.根据权利要求1所述的系统，所述硬件守时模块包括FPGA处理器、恒温晶振、秒脉冲和时标输出接口电路。

7.一种基于权利要求1至6所述的任一网络时钟同步系统的网络时钟同步方法，具体步骤为：

1)GPS授时模块根据超时授时算法，间隔3s采用一站单机授时极快获取卫星时间信息，并通过接口电路输送至NTP服务器；

2)NTP服务器将从GPS授时模块获取的信息解析，提取时间信息，并将其转化为标准时间格式，校准本地系统时间；

3)若NTP服务器时间有更新，硬件守时模块获取服务器最新更新的时间，采用恒温晶振以及FPGA处理器保持时间可靠计数；

4)客户端发送一个NTP消息给NTP服务器，该NTP消息带有它离开客户机时的时间戳T1；

5)当上述NTP消息到达服务器时，服务器加上自己的时间戳T2；

6)服务器再发送包括时间戳T2的NTP消息给客户机，此时再附加上它离开服务器时的时间戳T3；

7)当此NTP消息到达客户端时，客户端记录此时的时间戳T4。

8)客户端同时记录往返传输延迟时间ts，若ts大于10ms，则丢弃该NTP包，否则进行下一步；

9)由步骤4)至7)并根据NTP校时算法可得服务器和客户端之间的时间偏差t、两者之间单程的网络传输时间d：

$t=\frac{(T2-T1)-(T4-T3)}{2}$

d＝(T2-T1)+(T4-T3)

10)对步骤9)中计算的多个结果时间偏差t进行滤波，滤除传输时延较大的数据包，采用滤波后的时间偏差t校正本地客户端系统时间。

8.根据权利要求7所述的方法，所述步骤2)中，NTP服务器采用卫星失步算法，若NTP服务器在30s内未接收到GPS时间信息，则从硬件守时模块获取时间。

9.根据权利要求7所述的方法，所述步骤10)中对步骤9)中计算的多个时间偏差t进行滤波，滤除传输时延较大的数据包，采用滤波后的多个时间偏差t的算术平均值校正本地客户端系统时间。