基于STM32F103单片机的时间同步项目

一、前言

        本项目为前一个时间同步项目的更迭版本，由于之前的G031开发板没有外部晶振，从机守时能力几乎没有，5秒以上不同步从机时间就开始飞了。在考虑成本选型后，选择了带有外部有缘晶振的STM32F103C8T6最小单片机，来作为本次项目的开发平台。

        G031时间同步链接：

基于STM32G031LORA开发板的时间同步项目-CSDN博客https://blog.csdn.net/plmm__/article/details/136646460?spm=1001.2014.3001.5501        之前的物联网模块采用EByte的LORA模块，由于是串口控制与数据发送，波特率最高115200，对于发送数据有时间延迟，虽然在双向校时中可以计算在内，但除去一个干扰因素总是好的。

        新的设备改用2.4G模块，接口为SPI，通信速率最大10M，能提高效率，再加上模块的地址扩展性，从机设备的数量可以大大提升。

        

二、主体框架

       1、使用设备

        本项目采用一主六从的实验环境，用逻辑分析仪抓取心跳灯的闪烁时间戳，从而获取每个设备间的相对时间间隔：

        2、代码结构

        相较于前一份工程，我尽可能的根据自己的理解，将驱动层和应用层分离，减少代码的耦合性，提高移植能力和复用性，尽可能作为一个模板工程，可以后续开发其他项目。

        所有与硬件无关的应用层代码都由Time_SYNC.c文件调用与实现，主要是时间同步的主体逻辑与各个外设间的联动，具体代码可看gitee仓库。

        其他驱动文件对应的调用函数，例如定时器中断溢出，外部中断，串口中断等，我通过宏定义的形式，在驱动对应的头文件中提供用户接口，将函数实现主体抽象到应用层函数中来：

        TIM.h头文件：

        TIM.c驱动：

        Time_SYNC.c文件的实现：

        宏定义是c的一大杀器，我本人很喜欢用，能显著提高代码的可阅读性，同时又不更改代码的执行逻辑。

       3、时间同步原理

       1.时基

        每个设备都有一个时基定时器，精度为1us，也就是定时器每加1，时间加1us。

        装载值设为1000，溢出中断为1ms计时，在溢出中断中将变量Time_Base加一，因此一个设备的本地时间轴就由两部分组成，小时间定时器计数值，单位us；大时间Time_Base变量，单位ms。所以在数据包中，就要同时读取和发送两个值。

        与前一个项目的定时器级联不同，本次采用变量来作为第二级时间，一是方便调试，可以轻松查看变量的值，二是提高时间读取速度，比读定时器的寄存器应该要更快。

        __IO就是volatile关键字，由HAL库封装。

        

        

        2.主机轮询请求

        主机通过100ms定时器，也即是上一节图中TIM3，超时则向一个从机发起同步请求，调用函数Single_Send_TIM_Callback，对从机号进行处理和保存，从机的同步为顺序逐个进行。从机号的处理放到请求开始前，是为了保持任意从机掉线，主机也能继续处理下一个从机。

        设置本次从机号后，调用发送函数：

        数据包内容如上图，带有两个时间和从机号，以及标志位。

        

        3.从机接收做出应答

        从机接收到数据后会做对时间数据进行保留，并立即做出回应，回应内容为自定格式，只需要确保从机号和标志位正确：

        

        4.主机接收应答发送第二次时间

        主机收到从机应答后，再次获取本地时间，立即发送至从机：

 

        5.从机接收到第二次时间   

        至此，一次交互结束。

        此时从机有两个主机发送的时间，两个时间的差值，便是主机第一次发送，到收到从机应答的时间，除2后便是单向传输耗时。这个过程需要尽量保持主机发送和从机发送的时间相同，因此传输的数据长度要保持一致。

        对时间的差值我放到了最后集中处理。

       

        6.计算均值

        对于同一个从机，将同步过程连续进行10次，若从机收到有效数据大于6个，则进入数据计算函数：

        

        这里的关中断原本是关闭所有，时基定时器也关闭，但是因为计算过程中如果有不规范数据，会放弃本次同步，所以本地时间轴就会偏移本次的计算时长。为了防止此问题，最后只关闭了外部中断。

        Slave_Data_Process函数是时间同步的关键步骤，这部分是由从机自身来计算，主机不去干扰。上一个项目是主机对每个从机的时间偏移计算后下发至从机，会拖慢主机的执行效率。

        这部分代码较长，主要作用就是将10次得到的数据做差值，并对边界问题做处理，最后将所有计算耗时记录下来，在得出时间差后补偿到最后的时间中。

        将最后一次收到的时间作为修正基准：

        补偿至最后的时间中，最后更新本地时间：

        

三、实验结果

        第一行为主机时间轴，最大误差出现在黄色，39.8us。

        经过多次同步，所有从机的时间误差的前后关系几乎保持与上图一致，也就是黄色一直都是最大，其他也都是保持这个位置。

        由于从机代码的一致性，也更换过2.4G模块，这个问题大概率是单片机硬件导致，目前暂时不做深究。

四、总结

        该时间同步项目有很多应用场景，可以单独作为一个时间同步器应用到实际场景中。

        由于在新框架中加入了很多优化，对之前的冗余操作和时间同步方案做了大规模优化，所以工程的流程更加复杂。从代码来看，新旧版本已经没有太多关联性，可以说是两个独立的项目了。

        有关代码的实现细节有很多都没有具体展开讲，本片博客主要在于分享框架，读者可以自行阅读代码，如有不清楚的地方可以私信我；同时也欢迎各位读者对本项目提出优化意见，我将更新后推送至仓库。