ラズパイでStratum 1 NTPサーバーを試してみました。その方法は全てネット上にある記事のつまみ食いです。

 

↓ そのつまみ食いの結果がこれです。精度もStratum 1と言って良いのでは?

↑ グラフ中央の跳ね上がり(下がり)の原因は、ntpとgpsbを再起動させた為です。

 

どんなつまみ食いだったかを備忘録として残して置きます。

秋月のGPSキット(K-13850)とラズパイ4で試しました。

始めに見落としがちな事を。
このGPSを使用する場合、1PPS出力がアクティブLowである事を意識して置かないと、私みたいにハマってしまいます。そのパルスは ↓


秋月の取説PDFからコピぺ

このような波形の時は、/boot/config.txt に assert_falling_edge=true が必要になります。これを記述して置かないと100msズレて参照リストから外れたサーバー “x”印になってしまいます。

 

GPSとラズパイの結線


カラー図は秋月からのコピぺ

 

インストール

$ sudo apt update
$ sudo apt install ntp
$ sudo apt install gpsd gpsd-clients pps-tools

 

設定

$ sudo vi /boot/cmdline.txt

console=serial0,115200の削除
$ sudo vi /boot/config.txt

末尾に追加
enable_uart=1
dtoverlay=pps-gpio
dtparam=gpioin=18
dtparam=assert_falling_edge=true
$ sudo vi /etc/modules

末尾に追加
pps-gpio
$ sudo vi /etc/default/gpsd

START_DAEMON="true"
USBAUTO="false"
DEVICES="/dev/ttyS0 /dev/pps0"
GPSD_OPTIONS="-n"
$ sudo vi /etc/ntp.conf

server 127.127.28.2 minpoll 4 maxpoll 4 prefer
fudge  127.127.28.2 refid GPS stratum 14
server 127.127.22.0 minpoll 4 maxpoll 4
fudge  127.127.22.0 refid PPS stratum 0

server ntp.nict.jp iburst

 

自動再起動設定

$ sudo systemctl enable gpsd.service
$ sudo reboot

 

上記の手順で作動確認出来たRaspbianは ↓

2019-09-26-raspbian-buster-lite
2019-09-26-raspbian-buster
2020-02-05-raspbian-buster-lite
2020-02-05-raspbian-buster

 

このフローチャートに従って、共有メモリに書き込むプログラムAのその部分 ↓

    while (1) { // 無限ループ
        if ((fp=popen("ntpq -c rv", "r"))==NULL) {
            string s = "N"; // ntpp -c rv 実行失敗時 N を共有メモリに書き込む
            sprintf(shared_memory, s.c_str());
        } else {
            fgets(str, 512, fp); // 一行読み込む
            ptr = strstr(str, "sync_ntp");
            if (ptr != NULL) {
                string s = "S"; // S を共有メモリに書き込む
                sprintf(shared_memory, s.c_str());
                sleep(16);
            } else {
                ptr = strstr(str, "sync_unspec");
                if (ptr != NULL) {
                    ptr = strstr(str, "no_sys_peer");
                    if (ptr != NULL) {
                        string s = "M"; // M を共有メモリに書き込む    
                        sprintf(shared_memory, s.c_str());
                    } else {
                        string s = "N"; // N を共有メモリに書き込む
                        sprintf(shared_memory, s.c_str());
                    }
                } else {
                    string s = "N"; // N を共有メモリに書き込む    
                    sprintf(shared_memory, s.c_str());
                }
            }
        }
        pclose(fp);
        sleep(1);
    }

 

プログラムAによって共有メモリに書き込まれた文字により、表示を変化させるラズパイ7桁時計のその部分 ↓

    static int segdata[22][8] = { // 7セグメントデータ
      // a  b  c  d  e  f  g  dp
	{H, H, H, H, H, H, L, L}, // 0
	{L, H, H, L, L, L, L, L}, // 1
	{H, H, L, H, H, L, H, L}, // 2
	{H, H, H, H, L, L, H, L}, // 3
	{L, H, H, L, L, H, H, L}, // 4
	{H, L, H, H, L, H, H, L}, // 5
	{H, L, H, H, H, H, H, L}, // 6
	{H, H, H, L, L, L, L, L}, // 7
	{H, H, H, H, H, H, H, L}, // 8
	{H, H, H, H, L, H, H, L}, // 9
        {H, H, H, H, H, H, L, H}, // 0. 小数点付き
        {L, H, H, L, L, L, L, H}, // 1. 小数点付き
        {H, H, L, H, H, L, H, H}, // 2. 小数点付き
        {H, H, H, H, L, L, H, H}, // 3. 小数点付き
        {L, H, H, L, L, H, H, H}, // 4. 小数点付き
        {H, L, H, H, L, H, H, H}, // 5. 小数点付き
        {H, L, H, H, H, H, H, H}, // 6. 小数点付き
        {H, H, H, L, L, L, L, H}, // 7. 小数点付き
        {H, H, H, H, H, H, H, H}, // 8. 小数点付き
        {H, H, H, H, L, H, H, H}, // 9. 小数点付き
	{L, L, L, L, L, L, L, L}, // Blank
	{L, L, L, L, L, L, L, H}, // dp
    };

    // 中略

    while (1) { // 無限ループ 1サイクル14.8ミリ秒 1秒間に約67回繰り返す

        // 共有メモリの文字により表示を変える
        switch (*shared_memory) {
            case 'S': // +++++ 時計表示 + 同期LED点灯 +++++
                disp = 2000;  // 2ミリ秒表示維持
                LEDstate = 1; // 同期LED点灯
                break;
            case 'M': // +++++ 時計表示 ++++++++++++++++++
                disp = 2000;  // 2ミリ秒表示維持
                LEDstate = 0; // 同期LED消灯
                break;
            case 'N': // +++++ チラツキ表示 ++++++++++++++
                disp = 10000; // 10ミリ秒表示維持
                LEDstate = 0; // 同期LED消灯
                break;
        }

        gpioWrite(SYNC_LED, LEDstate); // 共有メモリに応じて同期LED点灯・消灯

        // 時刻の取得
        clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &ts);
        localtime_r(&ts.tv_sec, &lotm);  // ローカル時間に変換
        num[0] = ts.tv_nsec / 100000000; // 1/10秒の桁取得
        num[1] = lotm.tm_sec % 10 + 10;  //  1. 秒の桁取得(小数点付き)
        num[2] = lotm.tm_sec / 10;       // 10  秒の桁取得
        num[3] = lotm.tm_min % 10;       //  1  分の桁取得
        num[4] = lotm.tm_min / 10;       // 10  分の桁取得
        num[5] = lotm.tm_hour % 10;      //  1  時の桁取得
        num[6] = lotm.tm_hour / 10;      // 10  時の桁取得

        // 7桁ダイナミック表示ルーチン
        for (j = 0; j < 7; j++) {
            for (i = 0; i < 9; i++) { // 7セグメントデータセット
                gpioWrite(nanaseg[i], segdata[num[j]][i]);
            }
            gpioWrite(common[j], SEG_ON); // 7セグLED表示
            gpioDelay(disp);             // 共有メモリに応じて表示維持時間変化
            gpioWrite(common[j], SEG_OFF);// 7セグLED消灯
        }

    }

 

↓ 7セグLEDのコモンをオシロで観測した画像。

ラズパイのシステムクロック(時刻)と ntpd の関係を ntpq -c rv で見ると、次のフローチャートが見えた。


このフローチャートはLucidchartのフリー版で作成。

 

ラズパイに繋がるネットワークを切った(ルーターのWiFi機能を無効)状態で、コマンド watch ntpq -c rv と watch ntpq -p を同時観察。この観察をしたままネットワークに接続させたら、上記のフローチャートが見えて来ました。

“sync_ntp” “sync_unspec” “no_sys_peer” はコマンド ntpq -c rv 実行時に表示された1行目に現れる文字列です。

フローチャート内の N M S は自作中のラズパイ7桁時計に関する印です。

 

このフローチャートは、ntpdがSTEPモードにより時刻補正実施の有無を知るプログラムを作る為にあります。

ラズパイはハードウェアクロックが無いので、再起動しただけで時刻が遅れてしまいます。その遅れをntpdが起動後速やかにSTEP補正してくれます。しかし、ネットワークに接続出来なければ、いつになっても時刻は補正されないので、私が今作成中のラズパイ7桁時計は、そのような状況であった時、時刻が正確では無い事を知らせる為に表示を変えます。

 

↓ これはntpdのログ画像です。赤線で囲んだ所にSTEP補正された記録があります。このように再起動しただけで約14秒も遅れたようです。

このようにログを参照出来ればSTEP補正を知る事が出来るのですが、素人プログラマーの私には、ログを常に監視するコードが書けません。

そこで辿り着いたのが、ntpq -c rv だったのです。