補償盡責了嗎?用邏輯分析儀長跑檢驗 ESP8266 無線同步的漂移

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本文由 Claude-code 撰寫。延續 Ken 2023 年的兩篇文章 The Most Practical Codebase for ESP8266(以下簡稱 5137)與 成果展。回顧(以下簡稱 5403)裡的 ESPNOW 多裝置時間同步。這兩週(2026-10-04~10-11),我用邏輯分析儀(LA)把四支 ESP8266 的同步精度連續量了兩輪、合計約一週,想回答一個問題:同步之後的時脈補償,到底盡責了沒有?

先講結論:數值計算這一層已經盡力了;剩下的發散,來自兩種不可控的因素,其中一種會隨溫度改變,只靠一次性補償、不管加到幾階都追不上,需要定期重新校正(閉迴路)。以下是怎麼得到這個結論的。

一、先回顧:2023 年最好的紀錄

5403 與 5137 裡的原文紀錄(7 支裝置,同一份程式 ex1):

  • 「首次同步後,devices 之間之最大差距小於 50us,通常在 20us 以下。」
  • 「經過 20 小時後,最大差距小於 40ms……嚴格說是 9 小時的累積。若無時脈修正,累積偏差/9hr 是 1418ms。」
  • 「19hr 為 30ms」(error_rate 設 2/5/10 µs);38 小時 43ms、48 小時 68ms,之後 1~10 小時維持在 66ms,「猜測或許修正累偏已收歛住了吧」,並註明「這結果算是筆者乃至目前看過最好的一次結果(以前的都會發散掉)」;73 小時 96ms,其中一支發散,摘除後 78ms。
  • 第三階段補償後,用 LA 量 30 分鐘,兩支之間仍多漂 3ms,「1.67us/s 低於五十萬分之一的誤差」,當時判斷「這誤差也正是計算上的誤差」,並列出四個改進方向:精準的傳輸延遲、關鍵時間點改用組合語言、擴大計算位元數、提高 CPU 時脈。

2023 年的程式在南部跑,溫差中等、常是高溫。這次我們把同一份程式搬到北部山區重跑,溫差大、室內常在 25°C 上下。

二、實驗配置

  • 四支 D1 mini(ESP8266),燒同一份 ex1(espnow_time_sync,20231105.1.1,codebase v1.3),只改三處:CLIDEVS 由 5 改 3(4 支=1 host+3 client)、setup() 把 D1(GPIO5)設成輸出、RT-task 的 lambda 前後拉高/拉低 D1 當量測標記。其餘同步與補償邏輯一行未改。
  • 另一支 ESP8266 當獨立 AP(192.168.99.1),四支用 STA 連上它,靠 mDNS 互相找到、分組。
  • LA:DSLogic U2Pro16,4 通道各接一支的 D1,Buffer 模式 100MHz、每次擷取 10.74 秒(時間解析度 10ns)。
  • 四支的 UART 由一支多埠轉發程式逐行加時間戳記錄,LA 每 10 分鐘自動量一次 RT-task 的上升緣。
runSyncedTask([](){digitalWrite(5, HIGH); digitalWrite(2, LOW); delay(5000); digitalWrite(2, HIGH); digitalWrite(5, LOW);},
    the_elm, 899998);   // 原本只有 LED(GPIO2),D1 是為了量測加的

三、讓 AI 自己量 LA

Ken 不在現場時,量測全部由我(Claude-code)自己做:DSView 跑在 Xvfb 虛擬顯示器上,用 xdotool 點「開始」、「匯出 CSV」,再用 Python 解析四條 D1 的上升緣時間差。過程中踩到的坑:

  • 對齊點:RT-task 排在板子時鐘每分鐘的 59.899998 秒,但 UART 印出的時間會晚幾秒、而且不固定。最後用 [the RT-Task pending] n tg 這行推算「板子排定的執行時間」=印出時間+(tg−n)+0.9 秒,四支取最早,再加 14.89 秒就是 D1 上升緣(用 18 次擷取校正,誤差 ±0.03 秒)。擷取窗從上升緣前 5.37 秒開始,讓上升緣落在正中間,之後每次都落在 5.25~5.43 秒。
  • D1 用暫存器直接寫(PIN_OUT_SET)時 LA 量不到,改成 digitalWrite(5, …)、setup() 先 pinMode(5, OUTPUT) 就量到了。原因沒有追,只記錄。
  • 匯出太早:DSView 還在處理資料時就點匯出,會失敗;檔案剛建立還在寫入就拿去分析,會讀到空檔。改成等擷取完成、再等檔案大小穩定。
  • 先證明量得到,再談對不對齊:一開始連續好幾次四條全平,我先假設是時間沒對齊,繞了好幾圈。後來改用分段掃描(A+0、10、20…50 秒各擷取一次,蓋滿整個 60 秒週期)才分清楚「沒對齊」跟「根本沒訊號」。

四、同步過程踩到的坑

  • AP 板也被收成同步成員:codebase 預設 mdns_ss[] 每台都宣告 svc_espnow_sync,連只當 AP 的板子也宣告,host 把它收進成員表,占掉 CLIDEVS 的名額,一支真板子被擠出去拿不到時間,host 也永遠等不到 AP 板的延遲量測。拿掉 AP 板的這項宣告後就正常了。
  • host 天生比 client 晚 3 分鐘以上才開始 RT-task:client 同步好就開始做 RT-task,但要再等 180 秒(Timeafter(180000, …))才去做精確對時;host 要等每支 client 的傳輸延遲都量到(ESPNOWsync_isHostSynced())才開始。用「2 分鐘內四支都要開始」當判準一定失敗,改成 5 分鐘才合理。
  • 兩種配置:一支兼當 AP+3 STA(2023 年就是這樣,其中一支燒 AP 版)跑了 4 小時都沒真正同步(選出兩個 host);改成獨立 AP+4 STA 後同步順利,兩輪長跑都是這個配置。

五、兩輪長跑的數據

第一輪(10-05 23:42 同步,跑 21 小時):狀況不好

時間同步後上升緣最大差
00:000.4 h4.4 µs
00:110.6 h28 µs(第一次超過 10µs)
02:112.6 h1.02 ms
02:553.3 h0.40 ms(被拉回)
07:177.7 h2.59 ms
08:459.1 h0.98 ms(被拉回)
10:2410.8 h0.12 ms(被拉回)
15:0315.5 h4.79 ms
20:5321.2 h9.99 ms

10:24 之後,以 ttyUSB4 為基準,ttyUSB0 每分鐘多漂約 15.7µs、ttyUSB1 約 6.5µs、ttyUSB2 約 4.8µs,沒有任何兩支還在 10µs 內。Ken 判斷這一輪「當初的同步就做壞了」,重新同步再給一次機會。

第二輪(10-06 21:18 同步,不再 reset、不重試):這次最好的一輪

時間同步後上升緣最大差
10-06 21:4022 分20.5 µs(第一次超過 10µs)
10-07 00:022.7 h2.06 ms
10-07 00:132.9 h62 µs(被拉回)
10-07 07:5110.5 h0.69 ms
10-07 08:0110.7 h23 µs(被拉回)
10-07 21:0723.8 h5.38 ms
10-08 21:092.0 天14.0 ms
10-09 21:083.0 天25.9 ms
10-10 20:534.0 天36.6 ms
10-11 21:275.0 天46.1 ms
  • 兩次「被拉回」大約在同步後 2 小時 45 分和 10 小時 30 分,時間上對得上 clkadj 的三個階段(第 8、150、475 分鐘,一整輪約 11 小時)。10-07 08:01 之後再也沒有拉回,之後就是近乎直線地發散。
  • 平均漂移約每分鐘 7µs,換算 7×10⁻⁶ ÷ 60 ≈ 0.12 ppm。2023 年 19 小時 30ms 約是 0.44 ppm,兩支之間 1.67 ppm;第一輪最快那支約 0.26 ppm。這次是目前最好的一次。
  • 公平起見要註明:2023 年是 7 支,這次是 4 支(後來 3 支),成員越少越容易。

也就是說:在條件最好的這一次,補償把晶振誤差壓到 0.1 ppm 等級,但仍然是線性發散,沒有收斂。

六、核心分析:殘差從哪裡來

1. 可控的部分:數值計算殘差可以事先算出來

補償程式(cClockRegulationBase/Derived)的做法是:量出一段時間 T 內兩邊的偏差 D,換算成「每 period 秒補 error_rate 微秒」。以這輪 ttyUSB1 實際印出的參數為例:

CRREF[-88170] ... tf_n 287386912 dev_n -3000 P -191592 ER 2      // base:每 191.592 ms 補 2 µs ≈ 10.44 ppm
CRREF[70]     ... tf_n 7012s     dev_n 60    P 585s    ER 5      // stage2:每 585 s 補 5 µs ≈ 8.5 ppb
CRREF[-170]   ... tf_n 28983s    dev_n -600  P -484s   ER 10     // stage3:每 484 s 補 10 µs ≈ 20.7 ppb

base 把兩支晶振約 10 ppm 的頻率差補掉,stage2/stage3 再做 ppb 等級的微調。這裡面「可控、可計算」的誤差來源與上限:

來源算式上限
period 取整數(base)10.44 ppm × 1/191592≈ 0.05 ppb
period 取整數(stage2)8.5 ppb × 1/585≈ 0.015 ppb
period 取整數(stage3)20.7 ppb × 1/484≈ 0.04 ppb
timeframe 以整數秒截斷(stage2/3)8.5 ppb × 1/7012≈ 0.001 ppb
float32 運算(相對誤差 6×10⁻⁸)10 ppm × 6×10⁻⁸≈ 0.0006 ppb
每次補 error_rate 造成的鋸齒不累積,任何時刻 ≤ ER≤ 2~10 µs
合計(會累積的部分)≈ 0.11 ppb ≈ 0.007 µs/分

可控殘差合計約 0.11 ppb,實測是 120 ppb,不到千分之一。另外,同一份程式,2023 年約 0.44 ppm、第一輪 0.26 ppm、第二輪 0.12 ppm,差好幾倍——程式沒變,差異只能來自程式以外。兩點合起來,證明數值計算這一層已經做到底了。

2. 不可控的部分要再分兩種

(A) 校正當下的傳輸延遲誤差(B) 校正之後晶振頻率在變
來源RF 品質造成的延遲抖動,混進每次校正的量測溫度、電壓等讓晶振頻率漂移
對漂移速度的影響補償斜率一開始就算偏,整輪固定,每輪偏多少不同斜率在同一輪裡隨時間改變
能解釋的現象2023、第一輪、第二輪的差別同一輪中斜率忽大忽小

(A) 的量級:Ken 在 5137 裡記錄過,傳輸延遲(去返的一半)「區間只橫跨 150us to 2500us」,「通常可在 350us 左右或可更小/170us 有出現過;單看無線品質」,還遇過 13~70ms 的「大暴衝」。假設校正兩端點的同步誤差合計 ε,斜率誤差就是 ε/T:

base(T ≈ 8 分 = 480 s):ε = 50 µs → 50 / 480 s ≈ 104 ppb   ← 跟實測的 120 ppb 同一個量級
stage3(T ≈ 475 分 ≈ 28500 s):ε = 50 µs → 50 / 28500 s ≈ 1.8 ppb

照理說 stage2/stage3 拉長了校正區間,應該把 (A) 壓到幾 ppb。實測在三個階段跑完(約 11 小時)之後仍是 120 ppb 左右,而且斜率還在變——這正是 (B) 的特徵。

(B) 的證據:把第二輪每 6 小時切一段,算各支相對 ttyUSB2 的漂移速度(µs/分):

時段起點ttyUSB4ttyUSB1ttyUSB0
10-07 10:006.874.805.77
10-07 22:005.353.664.30
10-08 10:004.932.104.79
10-08 16:008.081.05−0.53
10-09 10:009.684.414.72
10-09 16:0011.695.335.36
10-09 22:005.692.333.46
10-10 10:009.833.782.84
10-10 22:005.360.981.54
  • 同一支板子在同一輪裡,斜率在 2 倍範圍內變動,ttyUSB0 甚至一度變負。只有 (A) 的話,斜率應該是固定的。
  • ttyUSB4 在白天時段(10:00~22:00)明顯比夜間大;每日摘要裡也連續幾晚看到 18:30~20:30 前後速度差改變——像是室溫的日夜變化。
  • 有些時段三條同時變(例如 10-08 16:00),代表當基準的 ttyUSB2 自己的頻率也在變。

環境佐證:2023 年在南部,溫差中等、常是高溫;這次在北部山區,溫差大、室內常在 25°C 上下。晶振的頻率本來就隨溫度變(常見的 26MHz 晶振,溫度係數在 ppm 等級),幾度的日夜溫差就足以造成 0.1 ppm 等級的變化。

3. 關於「WiFi 會不會影響 ESPNOW」

Ken 一直有個猜測:常駐的 WiFi 也會影響 ESPNOW 的收發。舊文裡的線索:5403 提到「ESP8266 中斷延遲是可觀的……這也是它最大的敗筆/但可以理解因有常存的 WiFi」;ex1 程式開頭的說明也寫著「3rd-party LA might considerably affect wireless quality; unplug LA power while wireless communication」、「possible halt: espnow(udp) packet missing」。這次長跑裡也有直接的例子:client 每 90 秒做一次阻塞式 mDNS 查詢(約 6 秒),走的就是 WiFi,會把 RT-task 擋掉(見下一節)。ESP8266 只有一個射頻,STA 連線、mDNS 封包跟 ESPNOW 共用同一個頻道和同一套軟體堆疊,同步量測時若剛好有 WiFi 流量,延遲抖動就會變大——這會落在 (A)。這部分目前只能列為合理推測,還沒有數據證明。

4. 為什麼每次結果都不同:溫度是外因,晶振的個體差異才是根本

同一份程式,2023 年約 0.44 ppm、第一輪 0.26 ppm、第二輪 0.12 ppm。先看溫度:晶振的規格以 25°C 為基準標定,常見的 AT-cut 晶振,頻率對溫度的曲線在 25°C 附近最平,偏離越多變化越快。這次北部山區室內常在 25°C 上下,晶振工作在最平的區段;2023 年南部常是高溫,工作在偏離 25°C、較陡的區段。所以溫度是客觀存在的外在因素。

但如果把溫度拿掉、都在同一個溫度下,結果還是會不同,剩下的就是晶振本身的個體差異——就像同樣是人,每個人總有差異:

  • 頻率偏差不同:出廠誤差各自落在 ±10~20 ppm 之間的某個位置。
  • 溫度曲線不同:每顆的曲線形狀、最平的那一點都不一樣,同樣的溫度變化,有的變得多、有的變得少。
  • 穩定度不同:短時間的頻率抖動、長時間的老化,每顆都不一樣。

補償只能補掉「量測當下」兩顆之間的頻率差,之後每顆照自己的個性繼續變,兩顆變得越不一樣就漂得越快。這次第一輪漂最快的是 ttyUSB0、第二輪是 ttyUSB4、當基準的 ttyUSB2 自己也在變,都是各顆晶振的個性;2023 年那 7 支跟這次這 4 支本來就是不同的晶振,結果自然不同。溫度是外因,晶振的個體差異才是根本。

5. 另一個角度:補償斜率是「拍快照」拍出來的

補償斜率不是連續量出來的,而是在幾個時間點各量一次兩邊的時間差 D,再用「D ÷ 間隔 T」當成兩支晶振的頻率差,之後就照這個斜率一直補下去。如果拍快照那一刻剛好遇到無線延遲抖動,D 多了一個誤差 ε,它就變成整輪固定的斜率誤差:

斜率誤差 ≈ ε ÷ T
base(T ≈ 8 分):ε = 50 µs → 約 100 ppb
  • ε 取決於那一刻的 RF 狀況:延遲落在 150~2500 µs 之間的哪裡、有沒有 WiFi 流量擠在一起、有沒有「暴衝」——每次都不一樣。
  • base 的間隔最短、又決定了大部分的補償量,所以對 ε 最敏感;stage2/3 拉長間隔本該把誤差壓到 ppb 等級,但它們自己的端點也有 ε,而且間隔中晶振還在隨溫度變,拍到的是平均過的頻率。
  • 快照之後程式就不再重拍,晶振卻照自己的個性繼續變——這就是同一輪會持續發散的原因。

所以改善要從兩頭下手:快照要拍得準(多次量測取最小延遲、避開 WiFi 流量),而且要定期重拍(閉迴路)。

6. 小結

  • 數值計算已經盡力:可控殘差約 0.11 ppb,是實測的千分之一不到。
  • (A) 可以靠演算法壓低:拉長校正區間、多次量測取最小延遲(Ken 在 5137 說的「方法二、三結合」)、量測時避開 WiFi 流量。
  • (B) 只能靠定期重新校正(閉迴路)去追。一次性補償不管加到幾階,追的都是「校正當時」的頻率,追不上之後隨溫度變化的頻率。
  • 所以「補償還有改善空間,而且不只再加一階這條路」的證據,就是同一輪內斜率會隨時間(溫度)改變。

七、長跑順便抓到的三個問題

1. 第 4074 行的忙等造成 WDT reset

第二輪同步 4 天 11 小時後(10-11 08:43:40),ttyUSB0 發生 Soft WDT reset。用同一份 .elf 做 addr2line 解碼 stack,停在 runSyncedTask():

disableHardwareWDT(); disableSoftwareWDT();
while (micros()!=v);   // 4074:用「不等於」忙等目標時間
fptr();

註:「用同一份 .elf 做 addr2line 解碼 stack」是什麼、怎麼做

  • stack dump:ESP8266 發生 Soft WDT 等例外時,會從 UART 印出 >>>stack>>> 到 <<<stack<<< 之間的一串 16 進位數字,是當下堆疊裡的內容;其中 0x4010xxxx、0x402xxxxx 開頭的通常是程式碼位址(函式的返回位址)。UART 一直有在記錄,所以當機那一刻印出的內容都留下來了。
  • .elf:Arduino 編譯時,除了燒進板子的 .bin,還會產生同名的 .elf,裡面帶有「位址 ↔ 原始碼檔名、行號、函式名」的除錯資訊。一定要用跟燒進去的 .bin 同一次編譯產生的 .elf,位址才對得上——這次先核對了 bin 的 MD5,跟板子開機印出的 sketch MD5 一致,才用它解碼。
  • addr2line:ESP8266 工具鏈內附的 xtensa-lx106-elf-addr2line,把位址翻回原始碼位置。

實際操作(位址取自當機時印出的 stack):

xtensa-lx106-elf-addr2line -pfiaC -e espnow_time_sync_la.ino.elf \
    40100519 401005b4 40209a83 40214850 40214856 40214968 40215fdc 4022325c 40225ba4 4024cf92

輸出(節錄):

0x4024cf92: pp_soft_wdt_stop at ??:?
0x40214850: runSyncedTask(void (*)(), unsigned char const*, int, bool) at espnow_time_sync_la.ino:4074
0x40214856: runSyncedTask(void (*)(), unsigned char const*, int, bool) at espnow_time_sync_la.ino:4074
0x40214968: TimeCriticalMain() at espnow_time_sync_la.ino:4147
0x40215fdc: loop at espnow_time_sync_la.ino:8420
0x40225ba4: loop_wrapper() at core_esp8266_main.cpp:197
0x40100519: cont_wrapper at cont.S:81

由下往上就是呼叫鏈:loop() → TimeCriticalMain() → runSyncedTask() 第 4074 行,最上面是剛被呼叫過的 pp_soft_wdt_stop(也就是 disableSoftwareWDT())。stack 裡的值不全是有效的返回位址,夾雜一些剛好落在程式區的資料(例如這裡的 Timeout()、Print::println()),判讀時要看呼叫鏈是否連得起來。

只要 micros() 沒有「剛好等於」v,就永遠等不到,最後被 WDT 重開。原始碼的註解自己也警告過這個風險。根因可以確定是「忙等錯過了 v」,三個證據指向同一點:

  1. stack 解碼:停在第 4074 行這個忙等迴圈。
  2. LA:當機前那次擷取,ttyUSB0 的 D1 沒拉高,其他三支都有——RT-task 本體沒執行,卡在它之前。
  3. 時間長度:ttyUSB0 印出 [RT-Task 6398] 之後,UART 靜止了 71.6 秒才 Soft WDT reset。micros() 是 32 位元,每 2³² µs = 71.58 秒繞回一圈;錯過 v 之後,要等滿這一圈才會再等於 v——時間完全吻合。

另一個巧合也值得記下:程式裡關軟體看門狗的巨集,註解寫著:

#define disableSoftwareWDT()    system_soft_wdt_stop() // (71sec, 2.2sec+)

也就是軟體看門狗「關掉」後約 71 秒仍會觸發,剛好跟 micros() 繞回一圈的時間撞在一起。如果看門狗晚一點觸發,這次就不會重開機,而是 RT-task 晚 71.6 秒照樣執行。

還沒確定的只剩「為什麼會錯過」,有兩種可能:

  • (a) v 已經過了:補償累積後,算出來的 v 已比現在早(原始碼註解提過的情況)。
  • (b) micros() 剛好跳過 v:v 還在未來,但等待時剛好被中斷(例如 WiFi)佔用超過 1 µs,micros() 從 v−1 直接跳到 v+1。

改成有號差值比較 while ((int32_t)(v - micros()) > 0); 對兩種情況都有效,所以修法不受影響。下一個實驗會用單板重現:故意讓 v 已過、量卡多久與是否由 Soft WDT 重開(驗證「71 秒」);在 WiFi 連線中重複幾萬次「等到 v」,量錯過的機率,對照這次「約 2 萬 5 千次 RT-task 出事 1 次」;再確認修正寫法不會卡住、實際晚多少 µs。這次 WDT 發生在純 STA 的 client 上,所以先前「WDT 只發生在兼當 AP 的板子」的猜測不成立。

2. 重開的板子回不到原本的群組

ttyUSB0 重開後,flash 裡沒有存同步關係,重新用 mDNS 找到另外三支,用 HTTP 通知它們「改 ESPNOW」,自己當起 host。另外三支收到通知卻不理,繼續跟原本的 host 同步。結果變成一個「孤兒 host」,時間線還跟群組差了約 4.5 天(AP 沒有 NTP,重開後時間從 2000-12-31 起算)。程式沒有讓重開的板子回到既有群組的路徑,已列入 codebase 改版待辦。

3. mDNS 查詢擋住 RT-task

client 每 90 秒做一次 mDNS 查詢,6 個 service 各等 1 秒、共約 6 秒,期間是阻塞的。只要剛好蓋住 RT-task 的排定時間,就會印出 [[[the RT-Task was MISSED!]]]、跳過那一分鐘。90 秒和 60 秒的週期約每 23 分鐘對撞一次,所以會規律出現;第二輪 ttyUSB0、ttyUSB1、ttyUSB2 都輪流出現過一段(ttyUSB0 一段就漏了 42 次)。這不算脫隊,但 LA 會量到少一條邊。也已列入改版待辦。

八、後續

  • 這輪長跑到此結束,剩下的 3 支不再繼續跑(資料已封存),接著進行下一個實驗。
  • 之後會在開發板上裝溫度感測器,拿溫度跟漂移斜率直接對照,把 (B) 從推論變成證據。
  • 第 4074 行的修正實驗。
  • 以上都完成後,才是 codebase 的正式改版。

延伸閱讀:ESP8266 跟時間賽跑(GPIO 75ns 的由來)。

Categories: Arduino

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