九、W5100S/W5500+RP2040树莓派Pico＜SNTP 获取网络时间＞

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1 前言

  随着科技的不断进步和应用需求的不断变化，SNTP协议也面临着一些挑战和机遇。随着网络技术的普及和物联网设备的增多，对于更精确的时间同步和更高效的同步方法的需求也将增加。

  W5100S/W5500是一款集成全硬件 TCP/IP 协议栈的嵌入式以太网控制器，同时也是一颗工业级以太网控制芯片。本教程将介绍W5100S/W5500以太网SNTP应用的基本原理、使用步骤、应用实例以及注意事项，帮助读者更好地掌握这一技术。

2 协议简介

2.1 什么是SNTP

  SNTP（Simple Network Time Protocol）是网络时间协议的简化版，它是一种用于在网络计算机上同步计算机时间的协议。

  SNTP协议采用客户端/服务器的工作方式，可以单播或者广播模式操作。SNTP服务器通过接收GPS信号或自带的原子钟作为系统的时间基准。在单播模式下，SNTP客户端能够通过定期访问SNTP服务器获得准确的时间信息，用于调整客户端自身所在系统的时间，达到同步时间的目的。

2.2 SNTP的优点

  SNTP的优点主要包括：

1. 高度精确性：SNTP可以提供高度精确的时间同步，它可以将计算机时钟与全球卫星网络同步。这个同步可以达到10毫秒的精度，这对于计算机系统的日志、文件备份和还原等操作都非常重要。
2. 网络延迟自适应：SNTP可以自动适应网络延迟的变化。当网络延迟变化时，SNTP可以自动调整时间戳，确保所有计算机都同步到正确的时间。
3. 轻量级：与NTP相比，SNTP是一个轻量级的协议，它在网络中传输的数据量很小。这使得SNTP非常适合于低带宽、高延迟的网络环境中

2.3 SNTP原理

  工作原理是采用客户端/服务器的工作方式，可以通过单播（点对点）或者广播（一点对多点）模式操作。SNTP服务器通过接收GPS信号或自带的原子钟作为系统的时间基准。

  在单播模式下，SNTP客户端可以通过定期访问SNTP服务器获得准确的时间信息，用于调整客户端自身所在系统的时间，达到同步时间的目的。

  而在广播模式下，SNTP服务器会周期性地发送消息给指定的IP广播地址或者IP多播地址，SNTP客户端通过监听这些地址来获得时间信息。

  网络中一般存在很多台SNTP服务器，客户端会通过一定的算法选择最好的几台服务器使用。如果一台SNTP服务器在工作过程中失去了外部时间源，此时该SNTP服务器会告诉SNTP客户端“我失去了外部时间”。当SNTP客户端收到这个信息时，就会丢弃发生故障的SNTP服务器发给它的时间信息，然后重新选择其他的SNTP服务器。

2.4 应用场景

  SNTP协议广泛应用于以下场景：

1. 网络设备时间同步：路由器、交换机等网络设备使用SNTP协议来同步时间，确保网络设备具有一致的时间标准。
2. 日志记录：服务器、计算机等系统使用SNTP协议来同步时间，确保日志记录的时间准确无误。
3. 电子商务：电子商务系统使用SNTP协议来同步时间，确保订单、交易等操作的时间一致性。

  除上述外，SNTP还被应用于计算机网络仿真、军事仿真和城市仿真等领域，SNTP计算方法可以用于模拟各种网络拓扑结构、协议和流量，以及战场环境和作战行动，为这些领域的网络设计和优化、军事决策、城市交通等提供支持。

3 WIZnet以太网芯片

WIZnet 主流硬件协议栈以太网芯片参数对比

Model	Embedded Core	Host I/F	TX/RX Buffer	HW Socket	Network Performance
W5100S	TCP/IPv4， MAC & PHY	8bit BUS, SPI	16KB	4	Max.25Mbps
W6100	TCP/IPv4/IPv6, MAC & PHY	8bit BUS, Fast SPI	32KB	8	Max.25Mbps
W5500	TCP/IPv4, MAC & PHY	Fast SPI	32KB	8	Max 15Mbps

1. W5100S/W6100 支持 8bit数据总线接口，网络传输速度会优于W5500。
2. W6100 支持IPV6，与W5100S 硬件兼容，若已使用W5100S的用户需要支持IPv6，可以Pin to Pin兼容。
3. W5500 拥有比 W5100S更多的 Socket数量以及发送与接收缓存。

4 SNTP网络设置示例概述以及使用

4.1 流程图

  程序的运行框图如下所示：

4.2 准备工作核心

软件

• Visual Studio Code
• WIZnet UartTool

硬件

• W5100SIO模块 + RP2040 树莓派Pico开发板 或者 WIZnet W5100S-EVB-Pico开发板
• Micro USB 接口的数据线
• TTL 转 USB
• 网线

4.3 连接方式

• 通过数据线连接PC的USB口（主要用于烧录程序，也可以虚拟出串口使用）
• 通过TTL串口转USB，连接UART0 的默认引脚：
  • RP2040 GPIO0（UART0 TX） <----> USB_TTL_RX
  • RP2040 GPIO1（UART0 RX） <----> USB_TTL_TX
• 使用模块连接RP2040进行接线时
  • RP2040 GPIO16 <----> W5100S MISO
  • RP2040 GPIO17 <----> W5100S CS
  • RP2040 GPIO18 <----> W5100S SCK
  • RP2040 GPIO19 <----> W5100S MOSI
  • RP2040 GPIO20 <----> W5100S RST
• 通过PC和设备都通过网线连接路由器LAN口

4.4 主要代码概述

  我们使用的是WIZnet官方的ioLibrary_Driver库。该库支持的协议丰富，操作简单，芯片在硬件上集成了TCP/IP协议栈，该库又封装好了TCP/IP层之上的协议，我们只需简单调用相应函数即可完成协议的应用。

第一步：sntp_client.c文件中加入对应的.h文件。

第二步：定义DHCP配置需要的宏。

第三步：网络信息的配置还有获取网络时间的服务器，以及配置时区，这里配置的是东八区可以找到sntp.c文件下找到东八区的编号是39。

第四步：编写定时器回调处理函数，用于DHCP 1s滴答定时器处理函数。

第五步：主函数先是对串口和SPI的初始化，然后写入W5100S的网络配置参数，初始化DHCP后开始DHCP获取IP，获取到就打印获取到的IP，获取次数超过最大获取次数时就使用静态IP，之后对SNTP传入socket号、服务器IP、时区序号、缓存buff进行初始化，主循环执行获取网络时间并且每一秒打印一次消息。

#include 
#include "pico/stdlib.h"
#include "pico/binary_info.h"
#include "hardware/spi.h"

#include "wizchip_conf.h"
#include "bsp_spi.h"
#include "socket.h"
#include "sntp.h"
#include "dhcp.h"

#define SOCKET_ID 0
#define ETHERNET_BUF_MAX_SIZE (1024 * 2)
#define DHCP_RETRY_COUNT 5 // DHCP retry times

wiz_NetInfo net_info = {
    .mac = {0x00, 0x08, 0xdc, 0x16, 0xed, 0x2e}, // Define MAC variables
    .ip = {192, 168, 1, 10},                     // Define IP variables
    .sn = {255, 255, 255, 0},                    // Define subnet variables
    .gw = {192, 168, 1, 1},                      // Define gateway variables
    .dns = {8, 8, 8, 8},                         // Define DNS  variables
    .dhcp = NETINFO_DHCP};                       // Define the DNCP mode
wiz_NetInfo get_info;
static uint8_t ethernet_buf[ETHERNET_BUF_MAX_SIZE] = {
    0,
};
static uint8_t sntp_server_ip[4] = {202, 112, 10, 60};
static uint16_t timezone = 39;
static uint8_t sntp_get_ip_count = 0;
datetime date;
static uint8_t dhcp_get_ip_flag = 0; // Define the DHCP acquisition flag

/**
 * @brief   Timer callback processing function, used for dhcp timing processing
 * @param   repeating :Timer structure
 * @return  bool
 */
bool repeating_timer_callback(struct repeating_timer *t);

/**
 * @brief   Initialization of chip network information
 * @param   conf_info :Static configuration information
 * @return  none
 */
void network_init(wiz_NetInfo *conf_info);

int main()
{
    struct repeating_timer timer; // Define the timer structure

    /*mcu init*/
    stdio_init_all();     // Initialize the main control peripheral
    wizchip_initialize(); // spi initialization

    /*dhcp init*/
    DHCP_init(SOCKET_ID, ethernet_buf);                                   // DHCP initialization
    add_repeating_timer_ms(1000, repeating_timer_callback, NULL, &timer); // Add DHCP 1s Tick Timer handler

    network_init(&net_info);              // Configuring Network Information
    print_network_information(&get_info); // Read back the configuration information and print it

    /*sntp init*/
    SNTP_init(SOCKET_ID, sntp_server_ip, timezone, ethernet_buf); // NTP protocol initialization parameters
    printf("wiznet chip sntp client example.\r\n");

    while (true)
    {
        sntp_get_ip_count++;
        sleep_ms(1000);  // Print once a second
        SNTP_run(&date); // The NTP protocol obtains the current time from the server at the time of authorization
        if (sntp_get_ip_count > 2)
        {
            printf("NOW: %d-%d-%d  %d:%d:%d\r\n", date.yy, date.mo, date.dd, date.hh, date.mm, date.ss);
        }
    }
}

4.5 结果演示

1. 打开WIZ UartTool，填入参数：选择串口对应的COM Port，波特率115200，8位数据位，1位停止位，无校验位，无流控，填完参数后点击open打开。
2. 按下复位后，看到串口每一秒进行打印一次网络时间，表示获取网络时间成功。

5 注意事项

• 需要选择一个可信赖的网络时间服务器，确保所选服务器支持您使用的网络时间协议。
• 为了确保输出的时间在不同的时区中保持一致，您应该使用相应的时区编号。您可以使用timezone编号选择特定的时区。
• 如果想用WIZnet的W5500来实现本章的示例，我们只需修改两个地方即可：

（1）在library/ioLibrary_Driver/Ethernet/下找到wizchip_conf.h这个头文件，将_WIZCHIP_ 宏定义修改为W5500；

（2）在library下找到CMakeLists.txt文件，将COMPILE_SEL设置为ON即可，OFF为W5100S，ON为W5500。

6 相关链接

WIZnet官网

WIZnet官方库链接

本章例程链接

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