ntpd – PPS discipline まずは普通に較正編

A/Dコンバータでも作ろうかと秋月でセンサーを覗いているとＧＰＳ受信機キット　１ＰＰＳ出力付き　「みちびき」対応 [AE-GYSFDMAXB]なるGPSが2,200円、こっちに目を奪われました。

出力データ形式: ＮＭＥＡ０１８３Ｖ３．０１準拠
電源電圧: ＤＣ５Ｖ（３．８Ｖ～１２Ｖ）
入出力信号レベル: Ｃ－ＭＯＳロジック（３．３Ｖ）
ＵＡＲＴ通信速度: ９６００ｂｐｓ（デフォルト）、４８００～１１５２００ｂｐｓ
１ＰＰＳ出力: 精度±10ns Ｃ－ＭＯＳロジック（３．３Ｖ）レベル，パルス幅：１００ｍＳ（アクティブＬｏｗ）

いー感じです。

GPS PPSで検索してみるとGPSをRaspberry PiにつなげてRaspbian上でntpサーバを動かすのが世界的に大流行していた模様です。IoT時代っぽくてよいですね。

インターネットといえば固定電話でダイアルアップという時代にGarmin II PlusというハンディGPSにACアダプタやcarrozzeriaのGPSアンテナをつなげるコネクタを適当に作ったものを思い出して引っ張り出してきて、歴代のハンディGPSと並べてみました。

インターネットへの常時接続が当たり前となった時にはGPSをntpサーバの時刻ソースにするという必要がなくなっていたので記憶はすっかり飛んでいます。

信号線をつなぐだけなので電子工作とはいえそうに無いですが、方針を決めます。

定期メンテが必要な機械は増やさない。セキュリティパッチの提供期限を気にする機械を増やさない。: 作る箱はNMEAとPPSを外だしするところまでで、ntpサーバやOSは追加しない。
そのまま既存のサーバにつながるようにする。: USBかD-sub9ピン(232C)
設定は可能な限りデフォルトを使う。: 設定ファイルだけですまない改変は後で面倒だしなんだったのかわからなくなるので実験以外ではしない。GPSにコマンド送るような機種依存設定など、設定ファイルにも必要以上の追加をしない。
がんばらない。: 興味のないところは手を抜きまくります。

テスト用PCにはFreeBSD 10.3-RELEASEを使うことにして、そのntpdは4.2.8p8です。情報を集めておきます。

Generic NMEA GPS Receiver:
- time1(secs): PPSのずれの調整
- time2(secs): NMEA sentenceとのずれの調整
- flag1: 1でPPSを使う
- flag2: 1でPPSのclear(true -> false)のエッジを使う
- flag3: 1でkernelのPPS diciplineを使う
PPS Clock Discipline:
- PPSAPI使用 (<sys/timepps.h>)
- (ntpd.confの)pps設定コマンドはもう無いよ。
- PPSは普通シリアルのDCD(D-sub9ピン1番,D-sub25ピン8番)で、あとパラレルポートドライバでACK(D-sub25ピン10番)をサポートしているものもあるよ。
- jitterを減らすためにメディアンフィルタを使ってて、一般的に minpoll 4に設定すればkernel PPS diciplineよりも良いよ。
- preferなピアが「survivors」にいる、か、「survivors」がいなくてtos minsane 0 のときに動作するよ。
- time1(secs): PPSのずれの調整
- flag2: 1でPPSのclear(true -> false)のエッジを使う
- flag3: 1でkernelのPPS diciplineを使う
UART(シリアル)ドライバ:
- UART_PPS_ON_CTSカーネルオプションを付けてなければUART_PPS_DCDがデフォルト。
パラレルポートドライバ:
- 入力は10番ピン、14番ピンにエコーを出力。(アンフェノールのメスコネクタをはんだ付けしてレトロ感を出す?いや出さない)
PPS関連の情報はPPS_SYNCオプション付きkernelでね
USB serial PPS support
PPS Synchronization ドライバの更新に追いついていないけれども、参考になります。

大分古い情報としては

ntpdのPPSよりkernelのPPSでしょう

のようなものがありました。

というわけでさらっと見たところではUSBシリアルでPPSを扱えるのはFreeBSD 11以降の模様なのでPPSはレベルコンバータを足してD-sub9ピンのシリアルで出すか、GPSのPPS出力の3.3VをそのままD-sub25ピンのパラレル5Vに出すことにします。kernel PPS diciplineのためのカーネルのリビルドは実験のためにパーツ注文して待っている間に一度だけやり、後でGENERICに戻してしまうという方向で行きます。minpoll 4の22番ドライバはkernel PPSより良いというマニュアルの言葉を信じて。そしてntpdは時間と共にゆっくり落ち着いていく性質があるので、違いがわからなくならないように実験としては最初に一番精確になる構成を作り、だんだんとゆるい構成にしていくことにします。

必要そうなものをGPSといっしょに注文です。RS-232C用のレベルコンバータには３V・３．３V・５V系－ＲＳ２３２レベル変換基板というコネクタに挟めて便利そうなものがありますが、PPSを使うには死んでいる1chを引き出さないといけないので老眼にやさしいDIPのADM3202ANというのを使うことにします。232CからADM3202ANへの入力はプルダウン抵抗内蔵だそうで、使わない入力はほっといて良いので何気に便利です。電源はGPSキットとADM3201ANだけで、USBから取るので超余裕です。このGPSはキット内で3端子レギュレータにて3.3Vを作っています。ADM3202ANも3.3Vでも5Vでも動作するので便利です。D-sub9ピンメスとシェルも用意し、適当に予備を買っても5,000円しないですね。

古い古いPentium 4のノートPC

にFreeBSD 10.3-RELEASE 32ビットがインストールされてます。

待ってる間にkernelをリビルドしておきます。なおリビルドはkernel PPS disciplineを使う時(マニュアルによれば精度悪くなるはず)だけ必要な作業です。ntpdのPPS Clock Disciplineを使うだけの場合はカーネルをリビルドする必要はありません。

# cd /usr/src/sys/i386/conf/
# sh
# cat <<EoF >ABCTPPS
include GENERIC
ident ABCTPPS
options PPS_SYNC        # https://www.freebsd.org/cgi/man.cgi?query=ntp_adjtime&sektion=2
# end of file
EoF
# exit
# cd /usr/src/
# make KERNCONF=ABCTPPS buildkernel
# make KERNCONF=ABCTPPS installkernel
# shutdown -r now

# cd /usr/src/sys/i386/conf/

# sh

# cat <<EoF >ABCTPPS

include GENERIC

ident ABCTPPS

options PPS_SYNC # https://www.freebsd.org/cgi/man.cgi?query=ntp_adjtime&sektion=2

# end of file

EoF

# exit

# cd /usr/src/

# make KERNCONF=ABCTPPS buildkernel

# make KERNCONF=ABCTPPS installkernel

# shutdown -r now

時刻のずれなんかどうでも良くて、時間刻みだけ精確ならば良いという方はPPSの刻みを信じるだけなので、インターネット接続不要、time1 time2の較正も不要で、 127.127.1.1 127.127.20.x 127.127.22.x の設定だけして終了です。ntp.confは次のようなものになります。

# オフセットなんかどうでも良い場合の例 始まり

disable monitor bclient
restrict    default ignore
restrict -4 default ignore
restrict -6 default ignore
# restrict 192.168.0.0 mask 255.255.0.0 nomodify notrap noquery nopeer
#...

tos minsane 0

#
server 127.127.1.1 minpoll 4
fudge  127.127.1.1 stratum 13 refid ALOCAL

# serial 9600bps(mode 16)
server 127.127.20.0 mode 16 prefer
fudge  127.127.20.0 refid AGPS

# serial DCD
server 127.127.22.0 minpoll 4
fudge  127.127.22.0 refid APPS

# オフセットなんかどうでも良い場合の例 終わり

# オフセットなんかどうでも良い場合の例始まり

disable monitor bclient

restrict default ignore

restrict -4 default ignore

restrict -6 default ignore

# restrict 192.168.0.0 mask 255.255.0.0 nomodify notrap noquery nopeer

#...

tos minsane 0

server 127.127.1.1 minpoll 4

fudge 127.127.1.1 stratum 13 refid ALOCAL

# serial 9600bps(mode 16)

server 127.127.20.0 mode 16 prefer

fudge 127.127.20.0 refid AGPS

# serial DCD

server 127.127.22.0 minpoll 4

fudge 127.127.22.0 refid APPS

# オフセットなんかどうでも良い場合の例終わり

driver 20のPPSサポートを利用すればdriver 22すら不要かもしれません。電波時計との差を目視と直感で測り、time1やtime2としてみるのも楽しいのではないでしょうか。

今回はインターネットから隔離されてGPS単独となっても、良い時計であるようにPPS(driver 22)のオフセット(time1)を較正するので、較正の間だけは多くの公開サーバに助けてもらいます。なお一般の方がNICTのntpサーバにmaxpoll 6などを指定している例を見かけましたが、1時間平均20回を超えるアクセスには事前承認が必要です。今回、公開サーバはすべてにmaxpoll 10(デフォルト)以上 minpollに8以上を指定して気長に較正していきます。NICTのサーバは使いません。
ntp.confは次のようなものになります。

server   127.127.1.1 minpoll 4
fudge    127.127.1.1 stratum 13 refid ALOCAL

restrict ntp1.プロバイダ noquery nomodify notrap nopeer
server   ntp1.プロバイダ minpoll 8 maxpoll 10 prefer
restrict ntp2.プロバイダ noquery nomodify notrap nopeer
server   ntp2.プロバイダ minpoll 8 maxpoll 10 prefer

restrict ntp1.自LAN内 notrust
server   ntp1.自LAN内 iburst minpoll 6 maxpoll 6 key * prefer
restrict ntp2.自LAN内 notrust
server   ntp2.自LAN内 iburst minpoll 6 maxpoll 6 key * prefer

restrict source limited kod nomodify notrap noquery
pool 2.jp.pool.ntp.org minpoll 10 maxpoll 12

server 127.127.1.1 minpoll 4

fudge 127.127.1.1 stratum 13 refid ALOCAL

restrict ntp1.プロバイダ noquery nomodify notrap nopeer

server ntp1.プロバイダ minpoll 8 maxpoll 10 prefer

restrict ntp2.プロバイダ noquery nomodify notrap nopeer

server ntp2.プロバイダ minpoll 8 maxpoll 10 prefer

restrict ntp1.自LAN内 notrust

server ntp1.自LAN内 iburst minpoll 6 maxpoll 6 key * prefer

restrict ntp2.自LAN内 notrust

server ntp2.自LAN内 iburst minpoll 6 maxpoll 6 key * prefer

restrict source limited kod nomodify notrap noquery

pool 2.jp.pool.ntp.org minpoll 10 maxpoll 12

脱線追記しますがpoolはserverを処理した後にmaxclockまで追加していくので、2018/3/16現在3つのA RRで運用されているntp.jst.mfeed.ad.jpと、1つのA RRをもつntp[123].jst.mfeed.ad.jpを例として、tos,serverおよびpoolが以下だけのようになっていた場合、

例1(server, A RR x 3)

tos minsane 3 minclock 3 maxclock 5

server ntp.jst.mfeed.ad.jp maxpoll 10 prefer

server ntp1.自LAN内 iburst minpoll 6 maxpoll 6 key * prefer
server ntp2.自LAN内 iburst minpoll 6 maxpoll 6 key * prefer
server ntp3.自LAN内 iburst minpoll 6 maxpoll 6 key * prefer

tos minsane 3 minclock 3 maxclock 5

server ntp.jst.mfeed.ad.jp maxpoll 10 prefer

server ntp1.自LAN内 iburst minpoll 6 maxpoll 6 key * prefer

server ntp2.自LAN内 iburst minpoll 6 maxpoll 6 key * prefer

server ntp3.自LAN内 iburst minpoll 6 maxpoll 6 key * prefer

例2(server, A RR x 1)

tos minsane 3 minclock 3 maxclock 5

server ntp1.jst.mfeed.ad.jp maxpoll 10 prefer

server ntp1.自LAN内 iburst minpoll 6 maxpoll 6 key * prefer
server ntp2.自LAN内 iburst minpoll 6 maxpoll 6 key * prefer
server ntp3.自LAN内 iburst minpoll 6 maxpoll 6 key * prefer

tos minsane 3 minclock 3 maxclock 5

server ntp1.jst.mfeed.ad.jp maxpoll 10 prefer

server ntp1.自LAN内 iburst minpoll 6 maxpoll 6 key * prefer

server ntp2.自LAN内 iburst minpoll 6 maxpoll 6 key * prefer

server ntp3.自LAN内 iburst minpoll 6 maxpoll 6 key * prefer

例3(pool, A RR x 3)

tos minsane 3 minclock 3 maxclock 5

pool ntp.jst.mfeed.ad.jp maxpoll 10 prefer

server ntp1.自LAN内 iburst minpoll 6 maxpoll 6 key * prefer
server ntp2.自LAN内 iburst minpoll 6 maxpoll 6 key * prefer
server ntp3.自LAN内 iburst minpoll 6 maxpoll 6 key * prefer

tos minsane 3 minclock 3 maxclock 5

pool ntp.jst.mfeed.ad.jp maxpoll 10 prefer

server ntp1.自LAN内 iburst minpoll 6 maxpoll 6 key * prefer

server ntp2.自LAN内 iburst minpoll 6 maxpoll 6 key * prefer

server ntp3.自LAN内 iburst minpoll 6 maxpoll 6 key * prefer

例4(pool, A RR x 1)

tos minsane 3 minclock 3 maxclock 5

pool ntp1.jst.mfeed.ad.jp maxpoll 10 prefer

server ntp1.自LAN内 iburst minpoll 6 maxpoll 6 key * prefer
server ntp2.自LAN内 iburst minpoll 6 maxpoll 6 key * prefer
server ntp3.自LAN内 iburst minpoll 6 maxpoll 6 key * prefer

tos minsane 3 minclock 3 maxclock 5

pool ntp1.jst.mfeed.ad.jp maxpoll 10 prefer

server ntp1.自LAN内 iburst minpoll 6 maxpoll 6 key * prefer

server ntp2.自LAN内 iburst minpoll 6 maxpoll 6 key * prefer

server ntp3.自LAN内 iburst minpoll 6 maxpoll 6 key * prefer

ntpq -pしたときに例1,例2,例4では4台、例3ではmfeed2台だけで計5台がソースとして表示されるようになります。またserverでは.INIT.と初期状態であることが明示されますが、poolではSoliciting pool server …とログされるだけでntpqの表示上ではわからないため、エラーに気づきにくくなります。いずれ改善されていくものと思いますが、この辺の特性を理解しないでやみくもにserverをpoolに変えれば良いという話ではないのでご注意ください。形式的に変えると相手方のトラフィックを慮って少ない台数の設定にされていたものが急に増えてしまうかもしれません。老舗の福岡大学のNTPサーバが停止するということで、個々は極小でも相手方にはすごい量届いていて帯域圧迫する可能性があるということを思い知らされます。問題児だけのせいにして安心しないで気にとめておきたいものです。

なお最近(でもないけど)のntpqはPTR RRを引いてからAまたはAAAA RRに戻らない場合(FCrDNSではない場合)、PTR RRはIPアドレスの横に表示されるように改善されています。そのため逆引きだけではなくて表引きのネームサーバが死んでいたり設定が狂っているような場合も極端に表示が遅くなります。ntpq -pnではすぐ表示されるけれどもという場合はDNSからみです。
アドレスやホスト名がとぎれてしまう場合は ntpq -pnw のようにwオプションが実装されています。

他にもうるう秒の指定や、PLLの周期(driftファイル)、ログ等の出力をさせる設定をします。ログの設定例です。

disable monitor bclient

restrict default ignore
# restrict 192.168.0.0 mask 255.255.0.0 noquery nomodify nopeer notrap
#...

logconfig =allall

statistics loopstats peerstats clockstats
statsdir /var/db/ntp/
filegen loopstats  file loopstats  type day enable
filegen peerstats  file peerstats  type day enable
filegen clockstats file clockstats type day enable

disable monitor bclient

restrict default ignore

# restrict 192.168.0.0 mask 255.255.0.0 noquery nomodify nopeer notrap

#...

logconfig =allall

statistics loopstats peerstats clockstats

statsdir /var/db/ntp/

filegen loopstats file loopstats type day enable

filegen peerstats file peerstats type day enable

filegen clockstats file clockstats type day enable

そしてGPSのドライバですが、Generic NMEA GPS Receiverによればu=0とすることに決めると/dev/gps0が使われるようです。PPS Clock Disciplineも同様にu=0と自分で決めれば/dev/pps0が使われるようです。/etc/devfs.confに以下を追加しておきます。あとで気付くことになりますが、パラレルのPPSは自力で/dev/ppsをmknod()し、 /dev/pps0 はデフォルトでの起動時に最初にパラレルに取られるため、両方のPPSを試したいときはシリアルはu=1として /dev/gps1 /dev/pps1 のようにそろえたほうがわかりやすいのかもしれません。

# sh
# cat <<EoF >>/etc/devfs.conf
# for ntpd driver 20 (GPS_NMEA)
link    cuau0   gps0
# for ntpd driver 22 (PPS via Serial I/F)
link    cuau0   pps0
EoF
# exit

# sh

# cat <<EoF >>/etc/devfs.conf

# for ntpd driver 20 (GPS_NMEA)

link cuau0 gps0

# for ntpd driver 22 (PPS via Serial I/F)

link cuau0 pps0

EoF

# exit

# service devfs start

1	# service devfs start

で/dev/gps0と/dev/pps0のsymlinkができることを確認します。

本題のNMEAドライバとPPSドライバの設定です。NMEAドライバ(driver 20)は秒単位での時間だけ合っていれば細かい精度はどうでもよいので、ドライバに採用されるNMEA sentenceのデータタイプがころころ変わることもないでしょうから9600bpsの指定だけします。ntp.confに以下を追加します。

# serial 9600bps(mode 16)
server 127.127.20.0 mode 16 noselect
fudge  127.127.20.0 refid AGPS
# serial DCD
server 127.127.22.0 minpoll 4 noselect
fudge  127.127.22.0 refid APPS

# serial 9600bps(mode 16)

server 127.127.20.0 mode 16 noselect

fudge 127.127.20.0 refid AGPS

# serial DCD

server 127.127.22.0 minpoll 4 noselect

fudge 127.127.22.0 refid APPS

GPSはつながっていませんが、いったん起動してdriftファイルを作らせてしまいます。

# service ntpd start

1	# service ntpd start

翌日にはパーツが届いたのでさっさと信号線つないでしまいます。ADM3202ANのデータシート通りにコンデンサ配置して、GPSからのTXとPPSを入力にするだけです。一方PC -> GPSの向きではUSBを電源とするのでADM3202AN側は5Vですが、GPSのRXは74HC04につながっていることが説明書からわかるので、10kΩでADM3202ANとつないで寄生ダイオードへの電流を制限するだけで済ませるか、9600bpsとのろいし適当に信号を分圧するか、パーツ数増えるけど3.3Vを作ってADM3202ANのVccにする、あたりでしょうか。今は使わないのでがんばりません、つなぎません。

最後に電源を繋いで40秒ほど、ハンディGPSは衛星がつかめなくて動作しない室内でいきなり秋月GPSのLEDが点滅し始めます。

各点の波形です。

232C PPS(DCD)出力 — 232C(ADM3202AN) PPS(DCD)出力 (-10V ～ 10V)

とっととつないで実行です。

# service ntpd start
Nov 18 17:39:48 * ntpd[7965]: ntpd 4.2.8p8-a (1): Starting
Nov 18 17:39:48 * ntpd[7966]: leapsecond file ('/var/db/ntpd.leap-seconds.list'): good hash signature
Nov 18 17:39:48 * ntpd[7966]: leapsecond file ('/var/db/ntpd.leap-seconds.list'): loaded, expire=2017-06-28T00:00:00Z last=2017-01-01T00:00:00Z ofs=37
Nov 18 17:39:48 * ntpd[7966]: GPS_NMEA(0) serial /dev/gps0 open at 9600 bps

# service ntpd start

Nov 18 17:39:48 * ntpd[7965]: ntpd 4.2.8p8-a (1): Starting

Nov 18 17:39:48 * ntpd[7966]: leapsecond file ('/var/db/ntpd.leap-seconds.list'): good hash signature

Nov 18 17:39:48 * ntpd[7966]: leapsecond file ('/var/db/ntpd.leap-seconds.list'): loaded, expire=2017-06-28T00:00:00Z last=2017-01-01T00:00:00Z ofs=37

Nov 18 17:39:48 * ntpd[7966]: GPS_NMEA(0) serial /dev/gps0 open at 9600 bps

この時点でのkldstatはパラレルのPPSを使用していないのでこんな感じです。

# kldstat
Id Refs Address Size Name
1 10 0xc0400000 140bde0 kernel
2 1 0xc180c000 21b6f8 zfs.ko
3 2 0xc1a28000 3e8c opensolaris.ko

# kldstat

Id Refs Address Size Name

1 10 0xc0400000 140bde0 kernel

2 1 0xc180c000 21b6f8 zfs.ko

3 2 0xc1a28000 3e8c opensolaris.ko

clockstatsを見ると、ハンディGPSではせいぜい3,4個の衛星がつかめたら良いような室内の場所で、なんと

* * 127.127.20.0 $GPGGA,000339.000,*.*,N,*.*,E,1,8,1.31,67.4,M,39.4,M,,*6A

1	* * 127.127.20.0 $GPGGA,000339.000,.,N,.,E,1,8,1.31,67.4,M,39.4,M,,*6A

8個の衛星つかんでいてちょっとびっくりです。感度が良いのか、ハンディGPSはあえて無視するような微弱電波でも使っているというだけの話なのかこれだけではちょっとわかりません。あとでスマホとハンディGPSを並べて確認してみます。この中にみちびきがいるのかどうかもお楽しみです。

そのまま3日ほど放置したところ、以下のようになりました。みごとに動作しているようです。

PPS(driver 22)にmsec単位でのoffsetの変動がありますが、PPS(driver 22)をnoselectにしているので他のNTPサーバがソースとなり、そのうち除外されていないサーバの値から算出されているためです。較正するため、MuninのデータをCSVにします。

> rrdtool fetch foo-ntp_127_127_20_0-offset-g.rrd AVERAGE -s -60h | sed -n -E -e 's/:[[:space:]]*([-.0-9])/,\1/p' > ~/tmp/setting-offset-GPS-1.csv
> rrdtool fetch foo-ntp_127_127_22_0-offset-g.rrd AVERAGE -s -60h | sed -n -E -e 's/:[[:space:]]*([-.0-9])/,\1/p' > ~/tmp/setting-offset-PPS-1.csv

1 2	> rrdtool fetch foo-ntp_127_127_20_0-offset-g.rrd AVERAGE -s -60h \| sed -n -E -e 's/:[[:space:]]([-.0-9])/,\1/p' > ~/tmp/setting-offset-GPS-1.csv > rrdtool fetch foo-ntp_127_127_22_0-offset-g.rrd AVERAGE -s -60h \| sed -n -E -e 's/:[[:space:]]([-.0-9])/,\1/p' > ~/tmp/setting-offset-PPS-1.csv

何でも良いですがちょうど使っていたのでOctaveで平均を計算します。

format long
J=csvread('setting-offset-GPS-1.csv');
yy=J(:,2);

mean(yy)
ans = -480.710973120334

J=csvread('setting-offset-PPS-1.csv');
yy=J(:,2);

mean(yy)
ans =  0.760845930559779

format long

J=csvread('setting-offset-GPS-1.csv');

yy=J(:,2);

mean(yy)

ans = -480.710973120334

J=csvread('setting-offset-PPS-1.csv');

yy=J(:,2);

mean(yy)

ans = 0.760845930559779

そのまま符号を反転させて、ntpqが出力するデータはmsec、ntp.confでの time1 time2 の指定はsecなことに注意しながらPPS(driver 22)のtime1とNMEAセンテンスのオフセットtime2を指定します。noselectも外してしばらく動作させます。

# serial 9600bps(mode 16)
server 127.127.20.0 mode 16 prefer
fudge  127.127.20.0 time1 -0.000760845930559779 time2 0.480710973120334 flag1 1 refid AGPS
# serial DCD
server 127.127.22.0 minpoll 4
fudge  127.127.22.0 time1 -0.000760845930559779                         flag1 1 refid APPS

# serial 9600bps(mode 16)

server 127.127.20.0 mode 16 prefer

fudge 127.127.20.0 time1 -0.000760845930559779 time2 0.480710973120334 flag1 1 refid AGPS

# serial DCD

server 127.127.22.0 minpoll 4

fudge 127.127.22.0 time1 -0.000760845930559779 flag1 1 refid APPS

PPSのNTP stateはずっと7でpps.peerとして動作しているのでjitterが急激に小さくなっています。引き続き較正します。とここで気付きますが、NMEAドライバ(driver 20)についてはPPSのずれとNMEAセンテンスのずれが混ざってしまったことになります。またNMEAドライバのPPSサポートの立ち位置がよくわからないので、以降PPSはPPS Clock Discipline(driver 22)だけを利用することにします。ここではNMEAドライバ(driver 20)のPPSサポートを取りやめ、PPSドライバ(driver 22)のtime1だけ較正します。

format long
J=csvread(...);
yy=J(:,2);

mean(yy)
ans =   -4.60560185197508e-04

-0.000760845930559779 +4.60560185197508e-04 (secとmsecが混ざっているのでこの計算は間違っています)
ans = -3.00285745362271e-04

format long

J=csvread(...);

yy=J(:,2);

mean(yy)

ans = -4.60560185197508e-04

-0.000760845930559779 +4.60560185197508e-04 (secとmsecが混ざっているのでこの計算は間違っています)

ans = -3.00285745362271e-04

そしてここで別途注文していたD-sub25ピンオスとシェルが届いたため、パラレルのACKに3.3VのPPSをそのまま繋ぎ、パラレルのPPSドライバをkldloadします。

まずパラレルのPPSはロード時に/dev/ppsをmknodするので、/dev/pps0をパラレルのPPSに譲るため、/etc/devfs.confを書き換えます。

# for ntpd driver 22 (PPS via Serial I/F)
link    cuau0   pps1

1 2	# for ntpd driver 22 (PPS via Serial I/F) link cuau0 pps1

パラレルのPPSを読み込みます。

# rm /dev/pps0
# service devfs start
# kldload pps

# rm /dev/pps0

# service devfs start

# kldload pps

再起動時にも読み込まれるようにします。

# sh
# cat <<EoF >>/boot/loader.conf
pps_load="YES"
EoF
# exit

# sh

# cat <<EoF >>/boot/loader.conf

pps_load="YES"

EoF

# exit

ntp.confをシリアルPPS & パラレルPPS体制にします。PPSの波形は先の通りパラレルI/Fにとっては反転しているので立下りを検知させるため、ntp.confは次のようになります。

# serial 9600bps(mode 16)
server 127.127.20.0 mode 16 prefer
fudge  127.127.20.0 time2 0.480710973120334 refid AGPS
# parallel ACK
server 127.127.22.0 minpoll 4
fudge  127.127.22.0                     flag1 1 flag2 1 refid APPPS  # error
# serial DCD
server 127.127.22.1 minpoll 4
fudge  127.127.22.1 time1 -0.000300285745362271 flag1 1 refid ASPPS

# serial 9600bps(mode 16)

server 127.127.20.0 mode 16 prefer

fudge 127.127.20.0 time2 0.480710973120334 refid AGPS

# parallel ACK

server 127.127.22.0 minpoll 4

fudge 127.127.22.0 flag1 1 flag2 1 refid APPPS # error

# serial DCD

server 127.127.22.1 minpoll 4

fudge 127.127.22.1 time1 -0.000300285745362271 flag1 1 refid ASPPS

# service ntpd start

1	# service ntpd start

ところがflag2 1でエラーが出ます。

ntpd[4658]: refclock_params: time_pps_setparams: Invalid argument

1	ntpd[4658]: refclock_params: time_pps_setparams: Invalid argument

パラレルのPPSは立下りの検出は現状ではできないようです。もちろんインバータ通すとかがんばらずに、パルス幅がきっちりであることを信じてパルスの終わりである立ち上がりで検出します。

# serial 9600bps(mode 16)
server 127.127.20.0 mode 16 prefer
fudge  127.127.20.0 time2 0.480710973120334 refid AGPS
# parallel ACK
server 127.127.22.0 minpoll 4
fudge  127.127.22.0                             flag1 1 refid APPPS
# serial DCD
server 127.127.22.1 minpoll 4
fudge  127.127.22.1 time1 -0.000300285745362271 flag1 1 refid ASPPS

# serial 9600bps(mode 16)

server 127.127.20.0 mode 16 prefer

fudge 127.127.20.0 time2 0.480710973120334 refid AGPS

# parallel ACK

server 127.127.22.0 minpoll 4

fudge 127.127.22.0 flag1 1 refid APPPS

# serial DCD

server 127.127.22.1 minpoll 4

fudge 127.127.22.1 time1 -0.000300285745362271 flag1 1 refid ASPPS

前回同様にMuninのデータからパラレルのPPSの平均を計算してtime1を更新します。

format long
J=csvread(...PPSパラレル...);
yy=J(:,2);

mean(yy)
ans = -99.6255258750333

format long

J=csvread(...PPSパラレル...);

yy=J(:,2);

mean(yy)

ans = -99.6255258750333

# serial 9600bps(mode 16)
server 127.127.20.0 mode 16 prefer
fudge  127.127.20.0 time2 0.480710973120334 refid AGPS
# parallel ACK
server 127.127.22.0 minpoll 4
fudge  127.127.22.0 time1 0.0996255258750333    flag1 1 refid APPPS
# serial DCD
server 127.127.22.1 minpoll 4
fudge  127.127.22.1 time1 -0.000300285745362271 flag1 1 refid ASPPS

# serial 9600bps(mode 16)

server 127.127.20.0 mode 16 prefer

fudge 127.127.20.0 time2 0.480710973120334 refid AGPS

# parallel ACK

server 127.127.22.0 minpoll 4

fudge 127.127.22.0 time1 0.0996255258750333 flag1 1 refid APPPS

# serial DCD

server 127.127.22.1 minpoll 4

fudge 127.127.22.1 time1 -0.000300285745362271 flag1 1 refid ASPPS

2日ほど放置で以下のようになりました。

ここで間違えてntpdを再起動してしまったので、今回はそれが含まれないように1時間前までの47時間分のデータを取得します。

> rrdtool fetch foo-ntp_127_127_22_0-offset-g.rrd AVERAGE -s -48h -e -1h | sed -n -E -e 's/:[[:space:]]*([-.0-9])/,\1/p' > ~/tmp/setting-offset-PPS-5-parallel.csv
> rrdtool fetch foo-ntp_127_127_22_1-offset-g.rrd AVERAGE -s -48h -e -1h | sed -n -E -e 's/:[[:space:]]*([-.0-9])/,\1/p' > ~/tmp/setting-offset-PPS-5-serial.csv

> rrdtool fetch foo-ntp_127_127_22_0-offset-g.rrd AVERAGE -s -48h -e -1h | sed -n -E -e 's/:[[:space:]]*([-.0-9])/,\1/p' > ~/tmp/setting-offset-PPS-5-parallel.csv

> rrdtool fetch foo-ntp_127_127_22_1-offset-g.rrd AVERAGE -s -48h -e -1h | sed -n -E -e 's/:[[:space:]]*([-.0-9])/,\1/p' > ~/tmp/setting-offset-PPS-5-serial.csv

Octaveをスプレッドシート扱いばかりでは申し訳ないので、MathWorks®の通りにfftしてみます。平均については前回間違えてmsec単位とsec単位をそのまま足しこんだ分もこれで修正されるはずです。

J=csvread('setting-offset-PPS-5-parallel.csv');
tt=J(:,1);
yy=J(:,2);

t=(tt(1):300:tt(length(tt)));
y=interp1(tt,yy,t);

Y=fft(y);
Pyy=Y.*conj(Y)/length(y);

n=floor(length(Pyy)/2)
n =  282

f=1/300/length(y)*(0:n-1);
plot(f,Pyy(1:n))

var(yy)
ans =    6.95485537286626e-05

mean(yy)
ans = -0.0999159292035027

0.0996255258750333 + 0.0999159292035027/1000.0
ans = 0.0997254418042368

J=csvread('setting-offset-PPS-5-serial.csv');
tt=J(:,1);
yy=J(:,2);

t=(tt(1):300:tt(length(tt)));
y=interp1(tt,yy,t);

Y=fft(y);
Pyy=Y.*conj(Y)/length(y);

n=floor(length(Pyy)/2)
n =  282

f=1/300/length(y)*(0:n-1);
plot(f,Pyy(1:n))
var(yy)
ans =    8.29050740728078e-06

mean(yy)
ans =   -5.75321533923943e-04

-0.000300285745362271 + 5.75321533923943e-04/1000.0 
ans = -2.99710423828347e-04

J=csvread('setting-offset-PPS-5-parallel.csv');

tt=J(:,1);

yy=J(:,2);

t=(tt(1):300:tt(length(tt)));

y=interp1(tt,yy,t);

Y=fft(y);

Pyy=Y.*conj(Y)/length(y);

n=floor(length(Pyy)/2)

n = 282

f=1/300/length(y)*(0:n-1);

plot(f,Pyy(1:n))

var(yy)

ans = 6.95485537286626e-05

mean(yy)

ans = -0.0999159292035027

0.0996255258750333 + 0.0999159292035027/1000.0

ans = 0.0997254418042368

J=csvread('setting-offset-PPS-5-serial.csv');

tt=J(:,1);

yy=J(:,2);

t=(tt(1):300:tt(length(tt)));

y=interp1(tt,yy,t);

Y=fft(y);

Pyy=Y.*conj(Y)/length(y);

n=floor(length(Pyy)/2)

n = 282

f=1/300/length(y)*(0:n-1);

plot(f,Pyy(1:n))

var(yy)

ans = 8.29050740728078e-06

mean(yy)

ans = -5.75321533923943e-04

-0.000300285745362271 + 5.75321533923943e-04/1000.0

ans = -2.99710423828347e-04

だからなんだというグラフゲットとなりました。もうしません。ntp.confは次のようになって仕上がりです。

tos minsane 0

# serial 9600bps(mode 16)
server 127.127.20.0 mode 16 prefer
fudge  127.127.20.0 time2 0.480710973120334 refid AGPS
# parallel ACK
server 127.127.22.0 minpoll 4
fudge  127.127.22.0 time1 0.0997254418042368    flag1 1 refid APPPS
# serial DCD
server 127.127.22.1 minpoll 4
fudge  127.127.22.1 time1 -0.000299710423828347 flag1 1 refid ASPPS

tos minsane 0

# serial 9600bps(mode 16)

server 127.127.20.0 mode 16 prefer

fudge 127.127.20.0 time2 0.480710973120334 refid AGPS

# parallel ACK

server 127.127.22.0 minpoll 4

fudge 127.127.22.0 time1 0.0997254418042368 flag1 1 refid APPPS

# serial DCD

server 127.127.22.1 minpoll 4

fudge 127.127.22.1 time1 -0.000299710423828347 flag1 1 refid ASPPS

シリアルPPSとパラレルPPSのtime1の差

0.0997254418042368 - (-0.000299710423828347)
ans =  0.100025152228065

1 2	0.0997254418042368 - (-0.000299710423828347) ans = 0.100025152228065

は、秋月GPSの説明書のパルス幅100msとほぼ同じとなっています。立ち上がり時間、パルス幅の誤差、パラレルとシリアルのハードウェアの遅延の差、パラレルPPSドライバとシリアルPPSドライバの遅延の差、が足しこまれると上の値に近くなるのだと予想されます。

さて、すでにoffsetはμsec単位でのjitterになり、平均にはnsecなどという文字も見えてきました。自己満足の世界もほどほどにということで較正は終了、利用させていただいた公開サーバに感謝しつつntpサーバを自LAN内用のサーバだけを参照するようにして運用開始です。

そして kernel PPS discipline やら、ネットから隔離してみるやら、GPSを外してみるやらをぼちぼちやっていくのです。

ちょっと enable calibrate だけ試してみましたが、較正した後では結局 time1 time2 は20 driver, 22 driver x 2 すべて初期値(有効数字3桁にて)のまま変わらないようなので、最初の較正のときには便利なのか別の機械につなげたときにでも試してみる項目としておきます。

なお較正中pps.peerになるのはシリアルのPPS(127.127.22.1)だけで、パラレルのPPS(127.127.22.0)が選ばれることは無く常にfalsetickでした。恐らく温度などで変化するであろうパルス幅のせいなのか、他の理由なのか、誰かインバータ入れてどうなるか確認してみてください。

2017/3/6 やもり様よりコメントいただき、取り急ぎたどってみた参考情報を以下に追加します。

filter vs. ithread
UART(シリアル): filter登録に失敗したらithread登録
ppbus(パラレル): ithread登録
GPIO: filter(gpiopps_ifltr)とithread(gpiopps_ithrd)を同時登録

UART(シリアル): pps_captureと同時にpps_event(filter)
ppbus(パラレル): pps_captureと同時にpps_event(ihandler)
GPIO: filterでpps_captureし、ihandlerでpps_event

UARTのbus_setup_intrは指定が無いのでx86 ACPI機ならばnexus_setup_intr(下記参照)
ppbusのbus_setup_intrはppbus_setup_intr
GPIOのbus_setup_intrはbus_generic_setup_intr(x86 ACPI機ならばBUS_SETUP_INTRが呼ばれ、そこからnexus_setup_intrが呼ばれる)

x86のACPI搭載機の場合(他のアーキテクチャでも似たように探せると思います)。

x86のデフォルトのbus_setup_intrはnexus_setup_intr
x86のnexus_setup_intrはintr_add_handlerが呼ばれ、さらにintr_event_add_handlerが呼ばれる
INTR_FILTER

その他

“ntpd – PPS discipline まずは普通に較正編” に4件のコメントがあります

やもり より:

2017-10-11 07:03

コメント確認ありがとうございました。

私が運用していた、秋月のモジュールは9月にちょっといじったところ、不安定になってしまい、まったくntpdで同期しなくなってしまったので、止めてしまいました。UBLOX NEO-6Mなモジュールが手に入ったので現在はこれをつかっています。このモジュールはすこぶる安定していて、スパイクがでても1ms以下でjitter/offsetとも平均2usくらいで運用できています。

返信
1. 清水文行 より:
  
  2017-10-25 13:33
  
  やもり様、コメントありがとうございます。
  
  太陽フレアにやられた…なんてことはないですね。こちらの秋月GPSは場所の関係で2ヶ月ほど前に止めてしまいましたが、ログ上は快調に動いていたようです。他に何をやりたかったのか忘れかけてますが、また再度場所ができたらぼちぼち続きをやろうと思います。しかしNMEAやらPPS出力が数千円で手に入って精度も良いということで、ありがたいことです。こんだけ安いといろいろ集めてGPIOかシリアルの複数ポートで、PPSソースに選ばれている時間でレースとかしたら楽しそうですね。情報どうもありがとうございました。
  
  返信
やもり より:

2017-03-04 18:47

こちらの記事大変参考になりました。ありがとうございました。

uartとppbusのppsサポートなのですが、ドライバーコードを見るとuartは割り込みhandlerで処理していて、ppbusはfilterの方で処理しています。また12-CURRENTで入ったgpioppsは両方に分けて入っていたりします。gpioppsのコードにはコメントが入っているのですが、理解できていません。。。

返信
1. 清水文行 より:
  
  2017-03-06 16:23
  
  やもり様、するどいコメントありがとうございます。
  参考のために、該当部分の情報を本文の末尾に追加しました。
  
  GPIOドライバでは、いつ起こったかの記録(pps_capture)を軽快にfilterでやってしかも他の事はしないで戻り、一方captureしたことの登録(pps_event)はgpiopps_ioctl用にちゃんと排他制御しつつihandlerで行う(あるいは排他制御が必須なのでihandlerに書くしかなかった)という合理的な実装に見えます。精度的には GPIO ≒ UART(シリアル) > ppbus(パラレル) となってもおかしくなさそうです。
  
  歴史を追うと分かるのだと思いますが、UARTのPPSはfilterが実装されていないアーキテクチャがあった時代のなごり、ppbusのPPSはfilter対応をしていないまま、ということなのかもしれません。
  
  返信

kana.me 要

ntpd – PPS discipline まずは普通に較正編

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