【益登科技代理 Silicon Labs SLSTK3301A开发板试用体验】无线网络时间同步算法框架的初步搭建

`《无线网络时间同步算法框架的初步搭建》

作者：佛山黄飞鸿，电子发烧友网用户jf_92883559

摘要：WSN网络在传输数据时，用户数据接入，一种方式是基于CSMA/CD协议，另一种方式是基于TDMA的方式，或者二者的混合使用。CSMA/CD接入机制，当用户较多的时候，开销较大；TDMA的方式开销紧凑，但是需要较为精确的时间同步。本研究基于NTP协议，研究无线网络的时间同步算法。本研究刚刚起步，因为时间的关系，本报告只是此研究算法的一个初步框架搭建。

关键词：NTP协议  32位MCU  Keil51  EFM32tiny Gecko 帧结构

1、前言

WSN这一类的无线网络在传输数据时，用户数据接入，一种方式是基于CSMA/CD协议，另一种方式是基于TDMA思想的同步时隙的方式，或者二者的混合使用。CSMA/CD接入机制，当用户较多的时候，开销较大；TDMA的方式开销紧凑，但是需要较为精确的时间同步。有了较为精确的同步时钟，那么采用TDMA的思想，对于无线网络中的接入单元，按照时隙进行划分，各接入单元在分配给自己的时隙上发送数据，从而避免CSMA/CD接入机制带来的额外开销。这个思想，在802.15.4e这个协议中得到较为充分的体现；在WSN领域，TPSN，也是这一思想的直接体现。

时间信息的有效交换，是实现精确同步的基础；时钟信息交换的基本思想，在NTP协议中有表述得比较详细，这里不做重复的论述。通过无线网络时间标签的交换，所得到的校正时间差，实际上存在波动。本研究试着做一些较为深入的探讨，来提高时间同步的精度。

因为时间的关系，本文只是交流一下本研究的硬件平台的搭建，以及初步的一些结果。

2、硬件平台硬件平台由
1：USB转TTL转换模块 ；2：EFM32 Tiny Gecko测试板 ；3：HC32L136K8TA 应用板；4：笔记本电脑。以及杜邦线组成，如图1和图2所示。


图1：应用系统



图2：整个测试系统

华大的单片机的应用系统，是在拿到EFM32 Tiny Gecko之前就做了的一个应用板，使用了一段时间。它也是一个32位的MCU。拿到EFM32 Tiny Gecko后，试着把代码移到这个平台上，发现不是很容易，而任务是有进度的，所以最后放弃了这个想法，继续在这个应用平台上继续做工作。

在试着使用EFM32 Tiny Gecko的过程中，发现，这个开发板可以当JLink调试器使用。而配置非常方便，在simplicity中做简单的配置，就可以使用。

HC32L136K8TA 要用到的资源如下：
1：显示控制器
2：RTC实时计数器
3：UART
4：若干GPIO。

3、软件平台和主要软件功能

1：Keil5开发工具
2：matlab2018

下位机HC32L136K8TA上的软件完成下面的功能：
1：接收上位机传过来的数据帧，并解析数据帧；
2：执行相应的帧命令，a:根据上位机传递过来的时间信息，计算同本地时间的误差，并修正本地时钟，通过HC32L136K8TA应用板上的显示屏显示出来；b:回传本地时间信息给上位机。从而完成一次完整的时间校正过程。

上位机为笔记本电脑，上位机软件为基于Matlab2018的主控代码，完成的功能为：
1：产生不同的数据帧和命令帧，并根据实际的需要下发；
2：接收下位机传过来的数据帧，并做相应的处理。

HC32L136K8TA上的主要代码函数：

1：协议解析代码


2：接收中断代码

1. void Uart1_IRQHandler(void)
   
2. {
   
3.    
   
4.                 //uint8_t temp_rcv;
   
5.                 // Uart_SendDataPoll(M0P_UART1,0XDD);
   
6.                 //数据接收中断
   
7.     if(Uart_GetStatus(M0P_UART1, UartRC))
   
8.     {
   
9.       //Uart_SendDataPoll(M0P_UART1,rcv_count);
   
10.                                 Uart_ClrStatus(M0P_UART1, UartRC);
    
11.                                 temp_rcv= Uart_ReceiveData(M0P_UART1);        
    
12.                                 Frame_Token[rcv_count]=temp_rcv;
    
13.                         if (rcv_count>=1)
    
14.                                         {
    
15.                                                 rcv_count=0;
    
16.                                         }
    
17.                         else
    
18.                                         {
    
19.                                                 rcv_count=rcv_count+1;
    
20.                                         }
    
21.                                                 
    
22.                         //Uart_SendDataPoll(M0P_UART1,rcv_count);
    
23.                           
    
24.                         if ((Frame_rcv_status==1)&&((Frame_is_Head!=1)||(Frame_TAG!=1)))
    
25.                                         {
    
26.                                                 rx_data[Frame_data_count]=temp_rcv;
    
27.                                                 Frame_data_count=Frame_data_count+1;
    
28.                                   }                        
    
29.                                                                                                                         
    
30.                         if ((Frame_Token[0]==255)&&(Frame_Token[1]==255))
    
31.                                         {
    
32.                                                 //Uart_SendDataPoll(M0P_UART1,rcv_count);
    
33.                                                 Frame_Token[0]=0;
    
34.                                                 Frame_Token[1]=0;
    
35.                                                 rcv_count=0;
    
36.                                                 Frame_rcv_status=1;
    
37.                                                 Frame_is_Head=1;
    
38.                                                 Frame_data_count=0;
    
39.                                                 Frame_flag=0;
    
40.                                                 //Uart_SendDataPoll(M0P_UART1,temp_rcv);
    
41.                                                 //rx_data[Frame_data_count]=temp_rcv;
    
42.                               rcv_count=0;
    
43.                                         }
    
44.                                        
    
45.                         if ((Frame_Token[0]==254)&&(Frame_Token[1]==254))
    
46.                                         {
    
47.                                           //Uart_SendDataPoll(M0P_UART1,2);
    
48.                                                 Frame_Token[0]=0;
    
49.                                                 Frame_Token[1]=0;
    
50.                                                 Frame_TAG=1;
    
51.                                                 rcv_count=0;
    
52.                                                 Frame_rcv_status=0;
    
53.                                                 Frame_data_count=Frame_data_count+1;
    
54.                                                 //rx_data[Frame_data_count]=temp_rcv;
    
55.                                                 Frame_flag=1;
    
56.                                                 rcv_count=0;
    
57.                                         }
    
58.                                                                                        
    
59.                         if(Frame_flag==1)
    
60.                                         {
    
61.                                                 for(i=0;i
62.                                                 protocol_data[i]=rx_data[i];
    
63.                                         }
    
64.         
    
65.                 // THE END OF THE RECEIVING INTERRUPT PRPCESSING               
    
66. 
    
67.                 }
    
68.                 // The end of the TRX interrupt processing
    
69. }

复制代码

matlab

Matlab上的主要代码函数：

1：串口配置函数

1. function g=UART_config(FrameSize)
   
2. delete(instrfindall);
   
3. g=serial('com5');
   
4. g.InputBufferSIZE=1024;
   
5. g.OutputBufferSIZE=1024;
   
6. g.timeout=0.6;
   
7. g.BaudRate=9600;
   
8. g.Parity='even';
   
9. g.StopBits=1;
   
10. g.Terminator='';
    
11. g.FlowControl='none';
    
12. g.BytesAvailableFcnCount = (FrameSize+3);
    
13. g.BytesAvailableFcnMode = 'byte';
    
14. g.BytesAvailableFcn = @instrcallback;
    
15. fopen(g);
    
16. end

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2:时间帧数据组帧函数

1. function clock_data=Clock_Data_Frame_Sending(address,data)
   
2.    syn_head=255;
   
3.    syn_tag=254;
   
4.    slave_command=hex2dec('AC');
   
5.    clock_current=fix(clock);
   
6.    year=clock_current(1);month=clock_current(2);date=clock_current(3);hour=clock_current(4);
   
7.    minutes=clock_current(5);second=clock_current(6);
   
8.    year=num2str(year)
   
9.    year_high=str2num([year(1) year(2)]);year_low=str2num([year(3) year(4)]);
   
10.    data=[address,slave_command,year_high,year_low,month,date,hour,minutes,second];
    
11.    data=uint8(data);
    
12.    table_crc8=uint8(create_crc_table());
    
13.    crc8_int=cal_crc_table(data,length(data),table_crc8);
    
14.    clock_data=uint8([syn_head,syn_head,data,crc8_int,syn_tag,syn_tag]);
    
15. 
    
16. end

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4、测试结果


图3：同步前MCU和本地计算机的本地时间


图4：同步后MCU和本地的时间

比较上面的结果，可以看出，MCU上的时间同本机的时间同步上了。

5、结果分析

1：同步精度的问题
从结果可以看出，同步精度在秒这个级别。这其中的原因是计算机没有显示到毫秒级别。32位单片机提供的RTC函数，也没有到毫秒级，这个问题可以进一步研究。这需要自己编写毫秒级的读取函数。精确到0.01毫秒，这对于无线通信来说，是非常重要的。

2：无线信道的问题
现在是用有县信道（RS232）代替的无线信道，这也会给时间同步的精度带来一定的影响。进一步的研究，是进一步寻求无线通信模块，来运行这个算法。

3：数据的波动
实际上，误差数据的波动，会给同步精度带来一定的影响。如图5所示。


图5：连续10次等间隔读下位机时间的所得的值


图6：连续10次等间隔读下位机时间的所得的值区域放大

从图5和图6可以看出，在秒这个时间单元上，返回的值，并不是等间隔。如果是无线信道，可以预见，这个数据会在一定的区间内摆动，因而，需要滤波算法，对其进行滤波，使得时间修正值能准确地跟踪主机和从机之间的时钟漂移。

6、总结
本研究刚刚启动，写得比较粗糙，见谅。


`

太高深了， 锣鼓围观一下。

厉害。。。。。。。。。。。。。。。