1、高級嵌入式項目設計摘要：本文是基于PC-Linux開源的IEEE1588V2源碼，以及外接GPS作為時間源， PC-Linux平臺上GPS時間信息的輸入，實現NEMA碼格式的時間數據解析，通過以太網傳輸數據，并測試其與傳感器端的時間同步性能。關鍵字：IEEE1588V2；GPS；Linux；NEMA1 概述橋梁檢測就是要根據實際情況對橋梁進行評估，因此前期的主要工作就是從既有的現狀與特性著手，對要檢測的實體有一個總體把握，并且明確后面工作的方向。外觀檢查是橋梁檢測中一項非常重要的工作，通常如果產生了病害會有一些表象，我們通過外觀的檢查可以分析判斷這些病害產生的原因，提出整治措施并且有利于明確接

2、下來工作的重點。外觀檢查要求做到抓住重點，力求全面。一座橋梁相對每個人來說都是非常的龐大的，橋梁的細微的變化，人通過肉眼是很難察覺的。因此設計一套橋梁檢測系統是非常有必要，并且非常有意義的事情。在一座橋梁上可以通過在關鍵點安放傳感器，來獲取橋梁細微變化的數據，再上傳到PC機上，進行數據分析，根據分析的結果對橋梁做出相應的維護和整修。只有這樣才能確保橋梁安全，確保通行人員的生命安全。為了能從傳感器端獲取到的準確的數據，保證數據的有效性，需要的對各傳感器進行時間同步。本文主要是在服務端進行時間同步設計。設計思路是通過GPS獲取具有時間值的數據，在linux下對獲取到的數據按NEMA格式進行數據解析

3、，解析出時間值。再將解析出的時間值更新到linux系統，在linux下對PTP協議進行相關配置，通過以太網連接到傳感器端，進行時間同步。2 GPS數據NEMA解析本文設計采用的GPS型號是GY-GPS6MV1,供電3.3V，波特率9600bit/s,數據為8位，停止位1位，無奇偶校驗。linux下可以通過minicom來接受串口數據。minicom安裝步驟如下： # tar zxf minicom-2.2.tar.gz # cd minicom-2.2 # ./configure # make # make install minicom-2.2.tar.gz安裝包可以到網上下載到。按照上面的

4、命令進行一步一步操作，安裝minicom。安裝完成后通過指令"rpm -qa | grep minicom"來確認是否安裝了minicom，回車后會顯示minicom 的版本信息第一次運行minicom時需要輸入指令 minicom -s，對minicom中的參數進行設值。 啟動后，出現配置菜單：選serial port setup進入串口配置。輸入A配置串口驅動為/dev/ttyUSB*。因為GPS模塊采用的是USB轉串口，因此配置串口驅動是選擇ttyUSB*。通過ll /dev/ttyUSB*命令查看具體采用的哪個USB驅動。 輸入E配置速率為9600 8N1輸入F將

5、Hardware Flow Control 設為NO，回車退出。設置完成后選擇Save setup as dfl將當前設置保存為默認設置。在輸入minicon 即可直接進入，Minicom是基于窗口的。要彈出所需功能的窗口，可按下Ctrl-A，然后再按各功能鍵(a-z或A-Z)。例如：功能鍵X代表退出minicom。上圖為minicom配置串口參數的界面。 在PC機串口插入連接GPS的USB轉串口，通過minicom接收數據。接受到的數據如下圖。 下面對NEMA協議作簡要的介紹。 NMEA0183的GPS常用標準語句有很多種： $GPGGA，它的語句格式如：$GPGGA,092204.999,

6、4250.5589,S,14718.5084,E,1,04,24.4,19.7,M,0000*1FGPGGA 包含14個字段，字段0為語句ID，字段1為UTC時間，時分秒格式為hhmmss.sss,字段13為校驗值，別的字段為經緯度，海拔等等。如果GPS輸出的幀結構為GPGGA格式時，就需要通過代碼獲得字段一的值，在編程的思路中按照逗號“，”來區分每一個字段，從而獲取需要的字段。 $GPGLL,它的語句格式為：$GPGLL,4250.5589,S,14718.5084,E,092204.999,A*2DGPGLL包含8字段，其中時間字段處在字段5，格式為hhmmss.sss。$GPRMC,RM

7、C(Recommended Minimum Specific)推薦最小定位信息，語句格式為：$GPRMC,024813.640,A,3158.4608,N,11848.3737,E,10.05,324.27,150706,A*50GPRMA包含17個字段，其中字段1為UTC時間，hhmmss.sss格式，字段9為UTC日期，格式為DDMMYY。 $GPZDA,UTC時間/日期及本地時區偏移量$GPZDA,<1>,<2>,<3>,<4>,*<5>CRLF <1>UTC 時間，格式hhmmss.ss(前導位數不足則補0) &l

8、t;2>UTC日期，01到31 <3>UTC月份，02到12 <4>UTC 年，格式yyyy <5>校驗和代碼編寫分析：linux C 代碼通過串口讀取gps數據，主要目的是獲取GPS基本信息，精度達到5位秒位，主要是獲取日期，時間。采用方法讀取當前100字節數據，分析GPRMC幀結構，獲得時間和年月日數據。由于NAME該協議采用ASCII 碼，其串行通信默認參數為：波特率9600bps，數據位8bit，開始位=1bit，停止位1bit，無奇偶校驗。在程序中對這些參數進行了相關的編寫。在GPS NEAM解析程序中采用void set_speed(int

9、 fd,int speed);設計波特率，對奇偶校驗位，數據位的設計采用的是int set_Parity(int fd,int databits,int stopbits,int parity);代碼中采用設計OpenDev函數，打開串口設備，int fd = open (Dev, O_RDWR |O_NONBLOCK );再打開數據的時候一定要加上O_NONBLOCK非阻塞狀態，不加上非阻塞狀態就收不到數據，在編寫代碼是的時候開始沒有加上非阻塞狀態，可以成功打開設備，但是不能從串口中讀取數據。 int OpenDev (char *Dev)int fd = open (Dev, O_RDWR

10、 |O_NONBLOCK );if (-1=fd) perror("Can't Open Serial Port"); return -1;elsereturn fd;代碼中采用的是解析$GPRMC數據格式通過 if(0x24=gpsdatai)&&(0x43=gpsdatai+5) ，語句來得到GPRMC數據串，其中ox24為$ ASCII 碼，0x43 為C ASCII 碼。下圖為NEMA協議解析后得到的數據。 通過linux下的date命令可以將時間值更新到linux系統中去。3 PTP協議IEEE1588簡稱PTP（Precision Tim

11、e Synchronization Protocol）精準時間同步協議。PTP同步原理PTP同步的基本原理如下：主、從時鐘之間交互同步報文并記錄報文的收發時間，通過計算報文往返的時間差來計算主、從時鐘之間的往返總延時，如果網絡是對稱的（即兩個方向的傳輸延時相同），則往返總延時的一半就是單向延時，這個單向延時便是主、從時鐘之間的時鐘偏差，從時鐘按照該偏差來調整本地時間，就可以實現其與主時鐘的同步。PTP協議定義了兩種傳播延時測量機制：請求應答（Requset_Response）機制和端延時（Peer Delay）機制，且這兩種機制都以網絡對稱為前提。請求應答機制下圖 請求應答機制實現過程 請求應

12、答方式用于端到端的延時測量。如上圖所示，其實現過程如下：(1) 主時鐘向從時鐘發送Sync報文，并記錄發送時間t1；從時鐘收到該報文后，記錄接收時間t2。(2) 主時鐘發送Sync報文之后，緊接著發送一個攜帶有t1的Follow_Up報文。(3) 從時鐘向主時鐘發送Delay_Req報文，用于發起反向傳輸延時的計算，并記錄發送時間t3；主時鐘收到該報文后，記錄接收時間t4。(4) 主時鐘收到Delay_Req報文之后，回復一個攜帶有t4的Delay_Resp報文。此時，從時鐘便擁有了t1t4這四個時間戳，由此可計算出主、從時鐘間的往返總延時為(t2 t1) + (t4 t3)，由于網絡是對稱的

13、，所以主、從時鐘間的單向delay為(t2 t1) + (t4 t3) / 2。因此，從時鐘相對于主時鐘的時鐘偏差為：Offset = (t2 t1) - (t2 t1) + (t4 t3) / 2 = (t2 t1) - (t4 t3) / 2。 配置PTP協議將時鐘狀態設置成PTP_MASTER狀態本地時鐘通過BMC算法來決策哪個時鐘是最好的，并據此來決定端口的下一個狀態值。在PTP子域中每個時鐘獨立運行BMC算法。BMC算法應包含兩部分算法構成，即數據集比較算法和端口狀態決策算法。數據集比較算法中會比較到Ptpclock中的priority1和priority2。Priority 1：

14、絕對優先級；BMC可以根據該字段判斷GM選取順序；該字段為可配置。取值范圍0255；值越小，優先級越高。Prioirty 2： 用于微調的時鐘優先級；在不同鐘情況下的數據集比較中為倒數第二項；該字段也為可配置，取值范圍0255；值越小，優先級越高。為了是本地時鐘最有最高權限，將prioirty1和priority2都設置0.配置GM時鐘等級clockclass,將其值設置為6，表示同步于主參考定時源，不能成為從設備。下圖是將PTPclock初始化后，調用void displayRunTimeOpts(RunTimeOpts* rtOpts)函數，打印初始化值信息，其中可以clockclass設

15、置為6，priority1和priority2都設置為0.在狀態引擎函數protocol(RunTimeOpts *rtOpts, PtpClock *ptpClock)中默認是將時鐘進入初始化狀態中，為了使時鐘運行在主時鐘狀態，使用函數 toState(PTP_MASTER, rtOpts, ptpClock)進入狀態PTP_MASTER。 ptp協議獲取系統時間和發送Sync數據包流程ptpClock = ptpdStartup(argc, argv, &ret, &rtOpts) protocol(&rtOpts, ptpClock)toState(PTP_MAS

16、TER, rtOpts, ptpClock) doState(rtOpts, ptpClock)timerExpired(SYNC_INTERVAL_TIMER, ptpClock->itimer)issueSync(rtOpts, ptpClock)getTime(&internalTime)fromInternalTime(&internalTime,&originTimestamp)msgPackSync(ptpClock->msgObuf,&originTimestamp,ptpClock)其中getTime函數是獲取系統時間點，包括秒和納秒

17、，fromInternalTime函數是將獲取到的時間點裝入originTimestamp量種中，再通過msgPackSync函數發送出去。因為服務端沒有與傳感器端進行連接測試，無法看出效果。為了看出PTP所獲取的時間值，我根據PTP協議編寫了PTP所獲得系統的時間值Demo。主程序如下：typedef struct int seconds; int nanoseconds;TimeInternal;TimeInternal time;struct timeval tv;gettimeofday(&tv,0);time.seconds = tv.tv_sec;time.nanoseconds =tv.t