UART子系统(六) 串口应用编程之GPS定位

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本文详细介绍GPS模块实验，涉及GPS基础知识、硬件接口、数据格式解析、编程实现（C语言代码示例）以及在IMX6ULL和STM32MP157平台的接线与上机实验步骤。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

1. GPS模块实验

1.1 GPS简介

全球定位系统(Global Positioning System，GPS)是一种以空中卫星为基础的高精度无线电导航的定位系统，它在全球任何地方以及近地空间都能够提供准确的地理位置、车行速度及精确的时间信息。GPS主要由三大组成部分：空间部分、地面监控部分和用户设备部分。GPS系统具有高精度、全天候、用广泛等特点。

太空卫星部分由多颗卫星组成，分成多个轨道，绕行地球一周约12小时。每个卫星均持续发射载有卫星轨道数据及时间的无线电波，提供地球上的各种接收机来应用。

地面管制部分，这是为了追踪及控制太空卫星运行所设置的地面管制站，主要工作为负责修正与维护每个卫星能够正常运转的各项参数数据，以确保每个卫星都能够提供正确的讯息给使用者接收机来接收

使用者接收机（即用户设备），追踪所有的GPS卫星，并实时的计算出接收机所在位置的坐标、移动速度及时间。我们日常接触到的是用户设备部分，这里使用到的GPS模块即为用户设备接收机部分。

1.2 GPS模块硬件

GPS模块与外部控制器的通讯接口有多种方式，这里我们使用串口进行通讯，波特率为9600bps,1bit停止位，无校验位，无流控，默认每秒输出一次标准格式数据。

GPS模块外观如下图所示，通过排线与控制器进行供电和通讯。该模块为集成模块，没有相关原理图。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-1Z242Ygn-1650977078788)(pic/09_UART/13_gps.png)]

1.3 GPS模块数据格式

GPS使用多种标准数据格式，目前最通用的GNSS格式是NMEA0183格式。NMEA0183是最终定位格式，即将二进制定位格式转为统一标准定位格式，与卫星类型无关。这是一套定义接收机输出的标准信息，有几种不同的格式，每种都是独立相关的ASCII格式，逗点隔开数据流，数据流长度从30-100字符不等，通常以每秒间隔持续输出。

NVMEA0183格式主要针对民用定位导航，与专业RTCM2.3/3.0和CMR+的GNSS数据格式不同。通过NMEA0183格式，可以实现GNSS接收机与PC或PDA之间的数据交换，可以通过USB和COM口等通用数据接口进行数据传输，其兼容性高，数据传输稳定。这里我们使用串口进行是通讯，通信框图如下图所示。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-GXUgTdIe-1650977078790)(pic/09_UART/14_gps_communication.png)]

我们使用串口接收数据，收到的数据包含：
$GPGGA（GPS定位数据）、
$GPGLL（地理定位信息）、
$GPGSA（当前卫星信息）、
$GPGSV（可见卫星状态信息）、
$GPRMC（推荐最小定位信息）、
$GPVTG（地面速度信息）。

这里我们只分析$GPGGA (Global Positioning System Fix Data)即可，它包含了GPS定位经纬度、质量因子、HDOP、高程、参考站号等字段。其标准格式如下：

$GPGGA，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，M，<10>，M，<11>，<12>*hh

$XXGGA语句各字段的含义和取值范围各字段的含义和取值范围见下表所示，XX取值有：

GPGGA：单GPS
BDGGA：单北斗
GLGGA：单GLONASS
GNGGA：多星联合定位

字段	含义	取值范围
<1>	UTC时间hhmmss.ss	000000.00~235959.99
<2>	纬度，格式：ddmm.mmmm	000.00000~8959.9999
<3>	南北半球	N北纬 S南纬
<4>	经度格式dddmm.mmmm	00000.0000~17959.9999
<5>	东西半球	E表示东经 W表示西经
<6>	GPS状态	0=未定位 1=GPS单点定位固定解 2=差分定位 3=PPS解 4=RTK固定解 5=RTK浮点解 6=估计值 7=手工输入模式 8=模拟模式
<7>	应用解算位置的卫星数	00~12
<8>	HDOP 水平图形强度因子	0.500~99.000（大于6不可用)
<9>	海拔高度	-9999.9~99999.9
	地球椭球面相对大地水准面的高度（高程异常）	-9999.9~99999.9
<11>	差分时间	从最近一次接收到差分信号开始的秒数，如果不是差分定位将为空
<12>	参考站号	0000~1023；不使用DGPS时为空

例子：$GPGGA，074529.82，2429.6717，N，11804.6973，E，1，8，1.098，42.110，，，M，，*76。

1.4 编程

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <errno.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <termios.h>
#include <stdlib.h>

/* set_opt(fd,115200,8,'N',1) */
int set_opt(int fd,int nSpeed, int nBits, char nEvent, int nStop)
{
	struct termios newtio,oldtio;
	
	if ( tcgetattr( fd,&oldtio) != 0) { 
		perror("SetupSerial 1");
		return -1;
	}
	
	bzero( &newtio, sizeof( newtio ) );
	newtio.c_cflag |= CLOCAL | CREAD; 
	newtio.c_cflag &= ~CSIZE; 

	newtio.c_lflag  &= ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG);  /*Input*/
	newtio.c_oflag  &= ~OPOST;   /*Output*/

	switch( nBits )
	{
	case 7:
		newtio.c_cflag |= CS7;
	break;
	case 8:
		newtio.c_cflag |= CS8;
	break;
	}

	switch( nEvent )
	{
	case 'O':
		newtio.c_cflag |= PARENB;
		newtio.c_cflag |= PARODD;
		newtio.c_iflag |= (INPCK | ISTRIP);
	break;
	case 'E': 
		newtio.c_iflag |= (INPCK | ISTRIP);
		newtio.c_cflag |= PARENB;
		newtio.c_cflag &= ~PARODD;
	break;
	case 'N': 
		newtio.c_cflag &= ~PARENB;
	break;
	}

	switch( nSpeed )
	{
	case 2400:
		cfsetispeed(&newtio, B2400);
		cfsetospeed(&newtio, B2400);
	break;
	case 4800:
		cfsetispeed(&newtio, B4800);
		cfsetospeed(&newtio, B4800);
	break;
	case 9600:
		cfsetispeed(&newtio, B9600);
		cfsetospeed(&newtio, B9600);
	break;
	case 115200:
		cfsetispeed(&newtio, B115200);
		cfsetospeed(&newtio, B115200);
	break;
	default:
		cfsetispeed(&newtio, B9600);
		cfsetospeed(&newtio, B9600);
	break;
	}
	
	if( nStop == 1 )
		newtio.c_cflag &= ~CSTOPB;
	else if ( nStop == 2 )
		newtio.c_cflag |= CSTOPB;
	
	newtio.c_cc[VMIN]  = 1;  /* 读数据时的最小字节数: 没读到这些数据我就不返回! */
	newtio.c_cc[VTIME] = 0; /* 等待第1个数据的时间: 
	                         * 比如VMIN设为10表示至少读到10个数据才返回,
	                         * 但是没有数据总不能一直等吧? 可以设置VTIME(单位是10秒)
	                         * 假设VTIME=1，表示: 
	                         *    10秒内一个数据都没有的话就返回
	                         *    如果10秒内至少读到了1个字节，那就继续等待，完全读到VMIN个数据再返回
	                         */

	tcflush(fd,TCIFLUSH);
	
	if((tcsetattr(fd,TCSANOW,&newtio))!=0)
	{
		perror("com set error");
		return -1;
	}
	//printf("set done!\n");
	return 0;
}

int open_port(char *com)
{
	int fd;
	//fd = open(com, O_RDWR|O_NOCTTY|O_NDELAY);
	fd = open(com, O_RDWR|O_NOCTTY);
    if (-1 == fd){
		return(-1);
    }
	
	  if(fcntl(fd, F_SETFL, 0)<0) /* 设置串口为阻塞状态*/
	  {
			printf("fcntl failed!\n");
			return -1;
	  }
  
	  return fd;
}


int read_gps_raw_data(int fd, char *buf)
{
	int i = 0;
	int iRet;
	char c;
	int start = 0;
	
	while (1)
	{
		iRet = read(fd, &c, 1);
		if (iRet == 1)
		{
			if (c == '$')
				start = 1;
			if (start)
			{
				buf[i++] = c;
			}
			if (c == '\n' || c == '\r')
				return 0;
		}
		else
		{
			return -1;
		}
	}
}

/* eg. $GPGGA,082559.00,4005.22599,N,11632.58234,E,1,04,3.08,14.6,M,-5.6,M,,*76"<CR><LF> */
int parse_gps_raw_data(char *buf, char *time, char *lat, char *ns, char *lng, char *ew)
{
	char tmp[10];
	
	if (buf[0] != '$')
		return -1;
	else if (strncmp(buf+3, "GGA", 3) != 0)
		return -1;
	else if (strstr(buf, ",,,,,"))
	{
		printf("Place the GPS to open area\n");
		return -1;
	}
	else {
		//printf("raw data: %s\n", buf);
		sscanf(buf, "%[^,],%[^,],%[^,],%[^,],%[^,],%[^,]", tmp, time, lat, ns, lng, ew);
		return 0;
	}
}


/*
 * ./serial_send_recv <dev>
 */
int main(int argc, char **argv)
{
	int fd;
	int iRet;
	char c;
	char buf[1000];
	char time[100];
	char Lat[100]; 
	char ns[100]; 
	char Lng[100]; 
	char ew[100];

	float fLat, fLng;

	/* 1. open */

	/* 2. setup 
	 * 115200,8N1
	 * RAW mode
	 * return data immediately
	 */

	/* 3. write and read */
	
	if (argc != 2)
	{
		printf("Usage: \n");
		printf("%s </dev/ttySAC1 or other>\n", argv[0]);
		return -1;
	}

	fd = open_port(argv[1]);
	if (fd < 0)
	{
		printf("open %s err!\n", argv[1]);
		return -1;
	}

	iRet = set_opt(fd, 9600, 8, 'N', 1);
	if (iRet)
	{
		printf("set port err!\n");
		return -1;
	}

	while (1)
	{
		/* eg. $GPGGA,082559.00,4005.22599,N,11632.58234,E,1,04,3.08,14.6,M,-5.6,M,,*76"<CR><LF>*/
		/* read line */
		iRet = read_gps_raw_data(fd, buf);
		
		/* parse line */
		if (iRet == 0)
		{
			iRet = parse_gps_raw_data(buf, time, Lat, ns, Lng, ew);
		}
		
		/* printf */
		if (iRet == 0)
		{
			printf("Time : %s\n", time);
			printf("ns   : %s\n", ns);
			printf("ew   : %s\n", ew);
			printf("Lat  : %s\n", Lat);
			printf("Lng  : %s\n", Lng);

			/* 纬度格式: ddmm.mmmm */
			sscanf(Lat+2, "%f", &fLat);
			fLat = fLat / 60;
			fLat += (Lat[0] - '0')*10 + (Lat[1] - '0');

			/* 经度格式: dddmm.mmmm */
			sscanf(Lng+3, "%f", &fLng);
			fLng = fLng / 60;
			fLng += (Lng[0] - '0')*100 + (Lng[1] - '0')*10 + (Lng[2] - '0');
			printf("Lng,Lat: %.06f,%.06f\n", fLng, fLat);
		}
	}

	return 0;
}

1.5 接线

1.5.1 IMX6ULL

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-s2r5tkhO-1650977078792)(pic/09_UART/15_gps_to_imx6ull.png)]

1.5.2 STM32MP157

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-g0bN59Ve-1650977078796)(pic/09_UART/18_gps_to_stm32mp157.png)]

1.6 上机实验

1.6.1 IMX6ULL

先设置工具链：

export ARCH=arm
export CROSS_COMPILE=arm-buildroot-linux-gnueabihf-
export PATH=$PATH:/home/book/100ask_imx6ull-sdk/ToolChain/arm-buildroot-linux-gnueabihf_sdk-buildroot/bin

编译、执行程序:

1. Ubuntu上
arm-buildroot-linux-gnueabihf-gcc -o gps_read gps_read.c

2. 板子上
/mnt/gps_read  /dev/ttymxc5

1.6.2 STM32MP157

先设置工具链：

export ARCH=arm
export CROSS_COMPILE=arm-buildroot-linux-gnueabihf-
export PATH=$PATH:/home/book/100ask_stm32mp157_pro-sdk/ToolChain/arm-buildroot-linux-gnueabihf_sdk-buildroot/bin

编译、执行程序：

1. Ubuntu上
arm-buildroot-linux-gnueabihf-gcc -o gps_read gps_read.c

2. 板子上
/mnt/gps_read  /dev/ttySTM3