高級(jí)嵌入式論文

1、高級(jí)嵌入式項(xiàng)目設(shè)計(jì)摘要：本文是基于PC-Linux開源的IEEE1588V2源碼，以及外接GPS作為時(shí)間源， PC-Linux平臺(tái)上GPS時(shí)間信息的輸入，實(shí)現(xiàn)NEMA碼格式的時(shí)間數(shù)據(jù)解析，通過(guò)以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，并測(cè)試其與傳感器端的時(shí)間同步性能。關(guān)鍵字：IEEE1588V2；GPS；Linux；NEMA1 概述橋梁檢測(cè)就是要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)橋梁進(jìn)行評(píng)估，因此前期的主要工作就是從既有的現(xiàn)狀與特性著手，對(duì)要檢測(cè)的實(shí)體有一個(gè)總體把握，并且明確后面工作的方向。外觀檢查是橋梁檢測(cè)中一項(xiàng)非常重要的工作，通常如果產(chǎn)生了病害會(huì)有一些表象，我們通過(guò)外觀的檢查可以分析判斷這些病害產(chǎn)生的原因，提出整治措施并且有利于明確接

2、下來(lái)工作的重點(diǎn)。外觀檢查要求做到抓住重點(diǎn)，力求全面。一座橋梁相對(duì)每個(gè)人來(lái)說(shuō)都是非常的龐大的，橋梁的細(xì)微的變化，人通過(guò)肉眼是很難察覺的。因此設(shè)計(jì)一套橋梁檢測(cè)系統(tǒng)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(guò)在關(guān)鍵點(diǎn)安放傳感器，來(lái)獲取橋梁細(xì)微變化的數(shù)據(jù)，再上傳到PC機(jī)上，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)分析的結(jié)果對(duì)橋梁做出相應(yīng)的維護(hù)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(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的有效性，需要的對(duì)各傳感器進(jìn)行時(shí)間同步。本文主要是在服務(wù)端進(jìn)行時(shí)間同步設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)思路是通過(guò)GPS獲取具有時(shí)間值的數(shù)據(jù)，在linux下對(duì)獲取到的數(shù)據(jù)按NEMA格式進(jìn)行數(shù)據(jù)解析

3、，解析出時(shí)間值。再將解析出的時(shí)間值更新到linux系統(tǒng)，在linux下對(duì)PTP協(xié)議進(jìn)行相關(guān)配置，通過(guò)以太網(wǎng)連接到傳感器端，進(jìn)行時(shí)間同步。2 GPS數(shù)據(jù)NEMA解析本文設(shè)計(jì)采用的GPS型號(hào)是GY-GPS6MV1,供電3.3V，波特率9600bit/s,數(shù)據(jù)為8位，停止位1位，無(wú)奇偶校驗(yàn)。linux下可以通過(guò)minicom來(lái)接受串口數(shù)據(jù)。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(wǎng)上下載到。按照上面的

4、命令進(jìn)行一步一步操作，安裝minicom。安裝完成后通過(guò)指令"rpm -qa | grep minicom"來(lái)確認(rèn)是否安裝了minicom，回車后會(huì)顯示minicom 的版本信息第一次運(yùn)行minicom時(shí)需要輸入指令 minicom -s，對(duì)minicom中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)值。 啟動(dòng)后，出現(xiàn)配置菜單：選serial port setup進(jìn)入串口配置。輸入A配置串口驅(qū)動(dòng)為/dev/ttyUSB*。因?yàn)镚PS模塊采用的是USB轉(zhuǎn)串口，因此配置串口驅(qū)動(dòng)是選擇ttyUSB*。通過(guò)ll /dev/ttyUSB*命令查看具體采用的哪個(gè)USB驅(qū)動(dòng)。 輸入E配置速率為9600 8N1輸入F將

5、Hardware Flow Control 設(shè)為NO，回車退出。設(shè)置完成后選擇Save setup as dfl將當(dāng)前設(shè)置保存為默認(rèn)設(shè)置。在輸入minicon 即可直接進(jìn)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(shù)的界面。 在PC機(jī)串口插入連接GPS的USB轉(zhuǎn)串口，通過(guò)minicom接收數(shù)據(jù)。接受到的數(shù)據(jù)如下圖。 下面對(duì)NEMA協(xié)議作簡(jiǎn)要的介紹。 NMEA0183的GPS常用標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)句有很多種： $GPGGA，它的語(yǔ)句格式如：$GPGGA,092204.999,

6、4250.5589,S,14718.5084,E,1,04,24.4,19.7,M,0000*1FGPGGA 包含14個(gè)字段，字段0為語(yǔ)句ID，字段1為UTC時(shí)間，時(shí)分秒格式為hhmmss.sss,字段13為校驗(yàn)值，別的字段為經(jīng)緯度，海拔等等。如果GPS輸出的幀結(jié)構(gòu)為GPGGA格式時(shí)，就需要通過(guò)代碼獲得字段一的值，在編程的思路中按照逗號(hào)“，”來(lái)區(qū)分每一個(gè)字段，從而獲取需要的字段。 $GPGLL,它的語(yǔ)句格式為：$GPGLL,4250.5589,S,14718.5084,E,092204.999,A*2DGPGLL包含8字段，其中時(shí)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(yǔ)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(gè)字段，其中字段1為UTC時(shí)間，hhmmss.sss格式，字段9為UTC日期，格式為DDMMYY。 $GPZDA,UTC時(shí)間/日期及本地時(shí)區(qū)偏移量$GPZDA,<1>,<2>,<3>,<4>,*<5>CRLF <1>UTC 時(shí)間，格式hhmmss.ss(前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ)0) &l

8、t;2>UTC日期，01到31 <3>UTC月份，02到12 <4>UTC 年，格式y(tǒng)yyy <5>校驗(yàn)和代碼編寫分析：linux C 代碼通過(guò)串口讀取gps數(shù)據(jù)，主要目的是獲取GPS基本信息，精度達(dá)到5位秒位，主要是獲取日期，時(shí)間。采用方法讀取當(dāng)前100字節(jié)數(shù)據(jù)，分析GPRMC幀結(jié)構(gòu)，獲得時(shí)間和年月日數(shù)據(jù)。由于NAME該協(xié)議采用ASCII 碼，其串行通信默認(rèn)參數(shù)為：波特率9600bps，數(shù)據(jù)位8bit，開始位=1bit，停止位1bit，無(wú)奇偶校驗(yàn)。在程序中對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行了相關(guān)的編寫。在GPS NEAM解析程序中采用void set_speed(int

9、 fd,int speed);設(shè)計(jì)波特率，對(duì)奇偶校驗(yàn)位，數(shù)據(jù)位的設(shè)計(jì)采用的是int set_Parity(int fd,int databits,int stopbits,int parity);代碼中采用設(shè)計(jì)OpenDev函數(shù)，打開串口設(shè)備，int fd = open (Dev, O_RDWR |O_NONBLOCK );再打開數(shù)據(jù)的時(shí)候一定要加上O_NONBLOCK非阻塞狀態(tài)，不加上非阻塞狀態(tài)就收不到數(shù)據(jù)，在編寫代碼是的時(shí)候開始沒有加上非阻塞狀態(tài)，可以成功打開設(shè)備，但是不能從串口中讀取數(shù)據(jù)。 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$GPRMC數(shù)據(jù)格式通過(guò) if(0x24=gpsdatai)&&(0x43=gpsdatai+5) ，語(yǔ)句來(lái)得到GPRMC數(shù)據(jù)串，其中ox24為$ ASCII 碼，0x43 為C ASCII 碼。下圖為NEMA協(xié)議解析后得到的數(shù)據(jù)。 通過(guò)linux下的date命令可以將時(shí)間值更新到linux系統(tǒng)中去。3 PTP協(xié)議IEEE1588簡(jiǎn)稱PTP（Precision Tim

11、e Synchronization Protocol）精準(zhǔn)時(shí)間同步協(xié)議。PTP同步原理PTP同步的基本原理如下：主、從時(shí)鐘之間交互同步報(bào)文并記錄報(bào)文的收發(fā)時(shí)間，通過(guò)計(jì)算報(bào)文往返的時(shí)間差來(lái)計(jì)算主、從時(shí)鐘之間的往返總延時(shí)，如果網(wǎng)絡(luò)是對(duì)稱的（即兩個(gè)方向的傳輸延時(shí)相同），則往返總延時(shí)的一半就是單向延時(shí)，這個(gè)單向延時(shí)便是主、從時(shí)鐘之間的時(shí)鐘偏差，從時(shí)鐘按照該偏差來(lái)調(diào)整本地時(shí)間，就可以實(shí)現(xiàn)其與主時(shí)鐘的同步。PTP協(xié)議定義了兩種傳播延時(shí)測(cè)量機(jī)制：請(qǐng)求應(yīng)答（Requset_Response）機(jī)制和端延時(shí)（Peer Delay）機(jī)制，且這兩種機(jī)制都以網(wǎng)絡(luò)對(duì)稱為前提。請(qǐng)求應(yīng)答機(jī)制下圖 請(qǐng)求應(yīng)答機(jī)制實(shí)現(xiàn)過(guò)程 請(qǐng)求應(yīng)

12、答方式用于端到端的延時(shí)測(cè)量。如上圖所示，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：(1) 主時(shí)鐘向從時(shí)鐘發(fā)送Sync報(bào)文，并記錄發(fā)送時(shí)間t1；從時(shí)鐘收到該報(bào)文后，記錄接收時(shí)間t2。(2) 主時(shí)鐘發(fā)送Sync報(bào)文之后，緊接著發(fā)送一個(gè)攜帶有t1的Follow_Up報(bào)文。(3) 從時(shí)鐘向主時(shí)鐘發(fā)送Delay_Req報(bào)文，用于發(fā)起反向傳輸延時(shí)的計(jì)算，并記錄發(fā)送時(shí)間t3；主時(shí)鐘收到該報(bào)文后，記錄接收時(shí)間t4。(4) 主時(shí)鐘收到Delay_Req報(bào)文之后，回復(fù)一個(gè)攜帶有t4的Delay_Resp報(bào)文。此時(shí)，從時(shí)鐘便擁有了t1t4這四個(gè)時(shí)間戳，由此可計(jì)算出主、從時(shí)鐘間的往返總延時(shí)為(t2 t1) + (t4 t3)，由于網(wǎng)絡(luò)是對(duì)稱的

13、，所以主、從時(shí)鐘間的單向delay為(t2 t1) + (t4 t3) / 2。因此，從時(shí)鐘相對(duì)于主時(shí)鐘的時(shí)鐘偏差為：Offset = (t2 t1) - (t2 t1) + (t4 t3) / 2 = (t2 t1) - (t4 t3) / 2。 配置PTP協(xié)議將時(shí)鐘狀態(tài)設(shè)置成PTP_MASTER狀態(tài)本地時(shí)鐘通過(guò)BMC算法來(lái)決策哪個(gè)時(shí)鐘是最好的，并據(jù)此來(lái)決定端口的下一個(gè)狀態(tài)值。在PTP子域中每個(gè)時(shí)鐘獨(dú)立運(yùn)行BMC算法。BMC算法應(yīng)包含兩部分算法構(gòu)成，即數(shù)據(jù)集比較算法和端口狀態(tài)決策算法。數(shù)據(jù)集比較算法中會(huì)比較到Ptpclock中的priority1和priority2。Priority 1：

14、絕對(duì)優(yōu)先級(jí)；BMC可以根據(jù)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(yōu)先級(jí)越高。Prioirty 2： 用于微調(diào)的時(shí)鐘優(yōu)先級(jí)；在不同鐘情況下的數(shù)據(jù)集比較中為倒數(shù)第二項(xiàng)；該字段也為可配置，取值范圍0255；值越小，優(yōu)先級(jí)越高。為了是本地時(shí)鐘最有最高權(quán)限，將prioirty1和priority2都設(shè)置0.配置GM時(shí)鐘等級(jí)clockclass,將其值設(shè)置為6，表示同步于主參考定時(shí)源，不能成為從設(shè)備。下圖是將PTPclock初始化后，調(diào)用void displayRunTimeOpts(RunTimeOpts* rtOpts)函數(shù)，打印初始化值信息，其中可以clockclass設(shè)

15、置為6，priority1和priority2都設(shè)置為0.在狀態(tài)引擎函數(shù)protocol(RunTimeOpts *rtOpts, PtpClock *ptpClock)中默認(rèn)是將時(shí)鐘進(jìn)入初始化狀態(tài)中，為了使時(shí)鐘運(yùn)行在主時(shí)鐘狀態(tài)，使用函數(shù) toState(PTP_MASTER, rtOpts, ptpClock)進(jìn)入狀態(tài)PTP_MASTER。 ptp協(xié)議獲取系統(tǒng)時(shí)間和發(fā)送Sync數(shù)據(jù)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g(shù)etTime函數(shù)是獲取系統(tǒng)時(shí)間點(diǎn)，包括秒和納秒

17、，fromInternalTime函數(shù)是將獲取到的時(shí)間點(diǎn)裝入originTimestamp量種中，再通過(guò)msgPackSync函數(shù)發(fā)送出去。因?yàn)榉?wù)端沒有與傳感器端進(jìn)行連接測(cè)試，無(wú)法看出效果。為了看出PTP所獲取的時(shí)間值，我根據(jù)PTP協(xié)議編寫了PTP所獲得系統(tǒng)的時(shí)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