張凱

【摘要】現(xiàn)代數(shù)字電視系統(tǒng)，需要精準(zhǔn)的時鐘信號，重點設(shè)備也需要進(jìn)行完善的授時。對數(shù)字電視系統(tǒng)而言，由于播出方式的自動化，對時間的準(zhǔn)確性和一致性有高度的要求。電視臺內(nèi)部的播出和設(shè)備網(wǎng)管系統(tǒng)，需要與各系統(tǒng)、各種設(shè)備進(jìn)行對接，時鐘系統(tǒng)顯得尤為重要。準(zhǔn)確的時鐘信號，可以保證臺內(nèi)所有設(shè)備均接收使用相同的時鐘信號，用以保證播出的準(zhǔn)確性與安全性。在地球站的播出中，需要保證時鐘系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠。對于時鐘系統(tǒng)，要做好時鐘信號的同步， 保證系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備處于同一步調(diào)。目前常用的方法是使用GPS和互聯(lián)網(wǎng)校時，因播出機(jī)房內(nèi)GPS信號很弱，GPS接收器放在室外容易引入干擾和雷擊，因此采用了通過互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器獲取標(biāo)準(zhǔn)時間，使用單片機(jī)隔離互聯(lián)網(wǎng)的方式構(gòu)建局域網(wǎng)時間服務(wù)器。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī);網(wǎng)絡(luò)安全;網(wǎng)絡(luò)校時

中圖分類號：TN92? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.05.042

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，使得基于網(wǎng)絡(luò)的計算機(jī)應(yīng)用也在迅速增加。網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)給社會帶來極大的經(jīng)濟(jì)效益，但安全問題也隨之而來。對于數(shù)字電視系統(tǒng)而言，和互聯(lián)網(wǎng)連接會有比較大的網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險，設(shè)備面臨網(wǎng)絡(luò)攻擊，暴露，用戶的口令、數(shù)據(jù)庫的信息等內(nèi)容有遭到竊取的風(fēng)險，使播出面臨網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險的問題，所以網(wǎng)絡(luò)安全越來越受到重視和關(guān)注。對于某些重要設(shè)備，不需聯(lián)網(wǎng)的計算機(jī)一般都做到和互聯(lián)網(wǎng)物理隔絕，確保網(wǎng)絡(luò)和信息安全，完全杜絕了各種可能的外部網(wǎng)絡(luò)的攻擊或泄密。因為實現(xiàn)的任務(wù)很輕，現(xiàn)在單片機(jī)的性能已能滿足需求，所以使用單片機(jī)完成此項功能，同時也提高設(shè)備的可靠性。

開源單片機(jī)開發(fā)平臺比較流行的是Arduino，它不僅是一個優(yōu)秀的硬件開發(fā)平臺，更是硬件開發(fā)的趨勢。Arduino拋開了傳統(tǒng)硬件開發(fā)的復(fù)雜操作，不需要了解硬件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和寄存設(shè)置，也不需要過多的電子知識和編程知識，而只需通過簡單的學(xué)習(xí)，便可利用它開發(fā)出各種出色的項目，大大節(jié)約學(xué)習(xí)成本，縮短開發(fā)周期。

1. 時間服務(wù)器的硬件組成

時間服務(wù)器利用兩個Arduino主板，Arduino主板A和Arduino主板B，以及兩塊網(wǎng)絡(luò)模塊，一個電子時鐘構(gòu)建一個與外網(wǎng)隔離的服務(wù)器端。網(wǎng)絡(luò)模塊采用W5100，每個W5100模塊通過SPI接口分別和每塊主板相連接，主板A和主板B通過串口相連接，實時時鐘模塊DS3231通過I2C總線與主板B相連接，各個硬件之間的連接組成的系統(tǒng)圖1。這樣就避免了與外網(wǎng)直接連接而帶來的外部網(wǎng)絡(luò)攻擊的風(fēng)險。從而使得本站的內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)形成一個有效的物理隔離。確保內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備免受侵?jǐn)_。

Aruino主板的種類有很多，在這里我們選用了功能比較強(qiáng)大和穩(wěn)定性更強(qiáng)的Aruino MAGE2560。它的核心芯片主要是封裝的AVR架構(gòu)，它是一種基于AVR增強(qiáng)RISC架構(gòu)的低功耗CMOS8位微控制器，具有JTAG、中斷、SPI、TWI（兼容I2C）、USART、PWM等硬件接口，方便軟件調(diào)試和外部設(shè)備的連接。通過在單個時鐘周期中執(zhí)行強(qiáng)大的指令實現(xiàn)了接近1MIPS/MHz的吞吐量，允許系統(tǒng)設(shè)計人員優(yōu)化功耗和處理速度。

W5100是一種款多功能的單片網(wǎng)絡(luò)接口芯片，內(nèi)部集成有10/100以太網(wǎng)控制器，主要應(yīng)用于高集成、高穩(wěn)定、高性能和低成本的嵌入式系統(tǒng)中，使用W5100可以實現(xiàn)沒有操作系統(tǒng)的Internet連接，W5100內(nèi)部集成了全硬件的TCP/IP協(xié)議棧、以太網(wǎng)介質(zhì)傳輸層和物理層（PHY）。硬件TCP/IP協(xié)議棧支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP和PPPoE，這些協(xié)議已經(jīng)連續(xù)多年在各種實際應(yīng)用中得以證明，W5100內(nèi)部還集成有16KB存儲器用于數(shù)據(jù)傳輸。使用W5100不需要考慮以太網(wǎng)控制，只要進(jìn)行簡單的端口（Socket）編程。W5100提供3種接口：直接并行總線、間接并行總線和SPI總線與MCU接口非常簡單，就像訪問外部存儲器一樣。

DS3231是一個由溫度補(bǔ)償32kHz晶體振蕩器驅(qū)動的串行RTC，提供了一個穩(wěn)定和準(zhǔn)確的參考時鐘，在環(huán)境溫度從-40°C到+85°C下保持RTC每年±2分鐘的精度。RTC是一個低功耗時鐘/日歷，有兩個可編程的時間報警和一個可編程的方波輸出，時鐘/日歷提供秒、分鐘、小時、日、日、月和年信息，月末的日期會自動調(diào)整天數(shù)少于31天的月份，包括閏年的更正。時鐘運(yùn)行在24小時或12小時的格式與AM/PM指示器。內(nèi)部寄存器可以通過I2C總線接口訪問。一個溫度補(bǔ)償?shù)碾妷簠⒖己捅容^電路監(jiān)測VCC的水平，以檢測電源故障，并在必要時自動切換到備用電源。RST引腳提供外部按鈕功能，并作為電源故障事件的指示器。

2. 時間服務(wù)器軟件

首先搭建一個集成開發(fā)環(huán)境，簡稱IDE。Arduino官網(wǎng)平臺下載需要的IDE版本，下載完成后，按步驟進(jìn)行安裝，開發(fā)環(huán)境就完成后就可以在Arduino進(jìn)行單片機(jī)開發(fā)了。

Arduino主板A與網(wǎng)絡(luò)模塊連接就構(gòu)成了一個互聯(lián)網(wǎng)NTP時間服務(wù)器的客服端，通過NTP時間協(xié)議來獲得一個標(biāo)準(zhǔn)時間。然后按照年月日時分秒的格式通過串口發(fā)送給Arduino主板B，以方便Arduino主板B校準(zhǔn)內(nèi)部時間。Arduino主板A程序流程圖如圖（2）：

初始化的過程主要有設(shè)置動態(tài)IP地址、MAC地址、NTP Server地址、時區(qū)、UDP端口、看門狗、串口1/2的波特率以及校驗位。獲取標(biāo)準(zhǔn)時間的發(fā)送請求后看是否獲得應(yīng)答，獲得應(yīng)答就通過串口2將時間發(fā)送出去，沒有得到應(yīng)答延時200ms再次請求，直到得到應(yīng)答，程序設(shè)定延時10分鐘后再次重復(fù)以上流程。

Arduino主板B與網(wǎng)絡(luò)模塊和實時時鐘DS3231連接組成內(nèi)部局域網(wǎng)的NTP服務(wù)器，通過交換機(jī)給內(nèi)部的局域網(wǎng)提供一個安全可靠的時間。兩個單片機(jī)經(jīng)過串口通信后，Arduino主板B獲得Arduino主板A發(fā)送的時間后對內(nèi)部實時時鐘進(jìn)行校準(zhǔn)。Arduino主板B程序流程圖（3）如下：

初始化的過程主要有設(shè)置靜態(tài)IP地址、MAC地址、串口2波特率以及校驗位、看門狗，實時時鐘DS3231通過串口2接收到Arduino主板A發(fā)送的時間后，按照年月日時分秒的格式與實時時鐘DS3231的時間行比對，如果比對時間不一致則調(diào)整實時時鐘DS3231的時間。

Arduino主板B接收到計算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的時間請求時，讀取DS3231的時間再通過網(wǎng)絡(luò)模塊W5100發(fā)送給內(nèi)部局域網(wǎng)的計算機(jī)。

3. 總結(jié)

該時間服務(wù)器在地球站經(jīng)過兩年多時間的運(yùn)行，滿足了內(nèi)部局域網(wǎng)計算機(jī)時間一致性。廣播電視系統(tǒng)中要求的安全等級都比較高，所以在解決問題時，首先要把安全性放在第一位。本設(shè)備就是首先考慮到安全性的前提下，通過串行接口隔離兩個網(wǎng)絡(luò)的辦法來解決問題，希望通過此案例給廣大從業(yè)人員提供解決問題的一點思路。

參考文獻(xiàn)：

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[3]Arduino官方網(wǎng)站.http：//www.arduino.cc