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基于S3C2440A的GPS时钟同步服务器研究与设计

作　者: 马士全
导　师: 陈杰春
学　校: 东北电力大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 时钟同步服务器 GPS 守时 NTP PTP
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
下　载: 11次
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内容摘要

随着分布式测控系统在航空航天、科学实验、工业自动化领域的广泛应用，使得分布在不同地域的测量和控制节点共同组成一个测控网络。各节点处的测控动作要有序的进行，就需要在整个测控网络中建立统一的时间参考。只有均匀性、可重现性好的时间基准才能对时间进行较精确的计量，目前人类最优的时钟参考源来自原子能级跃迁辐射出的电磁波周期即原子钟。由于建造和维护费用使其只能在特定的领域应用。直到最近时钟同步协议NTP和PTP的提出与应用使这种高精度时钟参考的广泛发布成为可能。作为同步网络中的核心设备，GPS时钟同步服务器对高精度原子时钟的发布启到不可缺少的作用。本文研究并探讨了时钟同步网络协议NTP和PTP。本着低成本、高可靠性原则，根据时钟同步协议原理给出了一种GPS时钟同步服务器的设计方案。设计方案包括硬件系统和软件系统。硬件系统包括卫星信号接收器、人机接口、网络通信接口、系统电源。通过人机接口显示整个系统的工作状态，同时用户可以通过该接口对系统的功能进行选择和设置。服务器通过网路通信接口与客户端进行报文交换实现时钟的同步。根据服务器工作的需要设计了专用的供电系统。软件系统包括系统软件和用户软件接口（用户进程）。为了提高同步精度，对客户端响应的实时性本文设计了专用的系统软件。在本文设计的软、硬件平台上，用户可以通过对用户进程的具体实现，对同步服务器的上层功能进行二次开发。在守时方案中本文以微处理器内部的定时器作为本地时钟。通过实验数据分析可得，跟踪PPS时误差小于1毫秒，丢失PPS后误差线性累积。本文的守时方法对计数器进行动态标定标定的精度可以达到基准时钟周期。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-20
  1.1 课题的研究背景及意义  12-13
  1.2 同步时钟源的研究动态及发展趋势  13-14
  1.3 时钟同步方式  14-15
  1.4 GPS 授时原理  15-18
  1.5 GPS 时钟同步服务器实现的难点  18-19
  1.6 本文主要研究内容  19-20
第2章网络授时原理  20-42
  2.1 网络授时原理概述  20-21
  2.2 NTP 时钟同步原理  21-32
    2.2.1 NTP 时钟同步过程  22-23
    2.2.2 NTP 报文帧格式  23-30
    2.2.3 NTP 工作模式与网络结构  30-32
  2.3 PTP 时钟同步原理  32-41
    2.3.1 PTP 时钟同步过程  32-34
    2.3.2 PTP 时钟模型  34-37
    2.3.3 PTP 报文帧格式  37-41
  2.4 小结  41-42
第3章 GPS 时钟同步服务器硬件电路设计  42-61
  3.1 硬件电路总体设计  42-43
  3.2 S3C2440A 片上资源的利用  43-45
  3.3 最小系统电路设计  45-47
  3.4 GPS 模块接口电路设计  47-50
    3.4.1 HOLUX M8729 GPS 模块  47-49
    3.4.2 接口电路设计  49-50
  3.5 以太网接口电路设计  50-55
    3.5.1 CS8900A 接口芯片  50-52
    3.5.2 接口电路设计  52-55
  3.6 人机接口电路设计  55-57
    3.6.1 阵列式键盘设计  55-56
    3.6.2 LED 显示电路设计  56-57
  3.7 系统电源设计  57-60
    3.7.1 Top-221 开关芯片  57-58
    3.7.2 开关电源电路设计  58-60
  3.8 小结  60-61
第4章 GPS 时钟同步服务器软件设计  61-83
  4.1 软件总体设计  61-62
  4.2 内核程序设计  62-75
    4.2.1 事件的表示与队列  62-64
    4.2.2 系统内存分配与管理  64-69
    4.2.3 临界资源的保护  69-70
    4.2.4 系统例程的调用  70-71
    4.2.5 内核程序与进程的调度  71-73
    4.2.6 系统引导程序设计  73-75
  4.3 驱动程序和应用进程设计  75-81
    4.3.1 UTC 时间解码程序设计  75-76
    4.3.2 键盘驱动程序设计  76-77
    4.3.3 显示驱动程序和显示刷新进程设计  77-78
    4.3.4 以太网驱动程序和通信进程设计  78-81
    4.3.5 用户进程设计  81
  4.4 小结  81-83
第5章守时方案设计  83-88
  5.1 总体框架  83-84
  5.2 定时器的标定方法  84-85
  5.3 时间差的测量与计算  85
  5.4 本地时间的动态修正  85
  5.5 数据与分析  85-87
  5.6 小结  87-88
结论与展望  88-90
参考文献  90-93
附录 A  93-114
附录 B  114-117
攻读学位期间发表的论文  117-118
致谢  118

基于S3C2440A的GPS时钟同步服务器研究与设计

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