07 - GPS 定位应用

本章节介绍 Pico-G1 扩展板上的 GPS 定位应用示例 —— gps_display。该应用演示了如何使用 UART 接口读取 GPS 模块的 NMEA-0183 数据，解析定位信息并实时显示在 TFT 屏幕上。这是学习串口通信和协议解析的实用示例，展示了从底层 UART 操作到高级数据处理的完整技术栈。

应用源码位于 SDK 目录 source/app/07_gps_display/，提供了完整的 UART 字符设备操作和 NMEA 协议解析实现，是学习嵌入式通信协议的重要参考。

1 应用概述

1.1 功能特性

• UART 串口通信：演示 Linux UART 字符设备接口的串口通信
• NMEA 协议解析：完整解析 NMEA-0183 协议（GGA/RMC 语句）
• 定位信息显示：实时显示经纬度、时间、日期、速度、海拔等信息
• TFT 彩屏显示：使用 SPI 接口驱动 ST7789 显示定位数据
• PPS 脉冲检测：支持 GPS 秒脉冲信号监测
• 多模块兼容：支持 GPS（$GP）、GNSS（$GN）、北斗（$BD）等模块

1.2 技术参数

参数	值
UART 接口	UART1（/dev/ttyAMA1）
波特率	9600 8N1（可配置）
NMEA 协议	NMEA-0183 标准
支持语句	GGA（定位数据）、RMC（推荐最小数据）
TFT 显示	ST7789 240×240 RGB565
刷新周期	500ms（可配置）
PPS 检测	GPIO4_6 输入（可选）

1.3 测试用例列表

index	名称	测试指令	预期现象（成功）	失败可能原因
1	基础定位	./gps_display	屏幕显示定位信息（经纬度、时间等）	GPS 模块未连接、UART 配置错误
2	室内测试	./gps_display	显示 "NO FIX"（无法定位）	正常现象，GPS 需要室外信号
3	室外测试	移至室外	显示 "FIX VALID" + 具体定位数据	GPS 模块故障、天线连接问题
4	NMEA 数据	cat /dev/ttyAMA1	显示 $GPGGA/$GPRMC 等语句	UART 连接失败、波特率不匹配

1.4 目录结构

source/app/07_gps_display/
├── Makefile              # 构建脚本
├── main.c                # 主程序
├── uart_hal.c            # UART HAL 层实现
├── uart_hal.h            # UART HAL 层头文件
├── nmea.c                # NMEA 协议解析实现
├── nmea.h                # NMEA 协议解析头文件
├── gpio_hal.c            # GPIO HAL 层实现
├── gpio_hal.h            # GPIO HAL 层头文件
├── spi_hal.c             # SPI HAL 层实现
├── spi_hal.h             # SPI HAL 层头文件
├── st7789.c              # ST7789 驱动实现
├── st7789.h              # ST7789 驱动头文件
├── font8x16.h            # 8×16 ASCII 点阵字库
└── README.md             # 说明文档

2 硬件连接说明

2.1 引脚定义

信号	板上 GPIO	iocfg pad	func	设备节点
GPS TX → 主控 RX	GPIO3_6	0x100C0004	func3(UART1_RXD)=0x1003	/dev/ttyAMA1
GPS RX ← 主控 TX	GPIO3_5	0x100C0000	func3(UART1_TXD)=0x1003	/dev/ttyAMA1
PPS（可选）	GPIO4_6	0x100C0024	func5(GPIO)=0x1005	/dev/gpiochip4 line6
显示	SPI2	—	—	/dev/spidev2.0
VCC / GND	3.3V / GND	—	—	—

接线说明

• GPS-TX 接 GPIO3_6（主控 UART1_RXD）
• GPS-RX 接 GPIO3_5（主控 UART1_TXD）
• TX/RX 不能接反，否则无法通信
• PPS 为秒脉冲信号，可选，用于精确时间同步

2.2 硬件电路

标准 GPS 模块接线：

     Pico-G1                   GPS Module
  ┌───────────┐              ┌──────────────┐
  │           │              │              │
  │ GPIO3_6 ──┼────── RX ──┤ TX           │
  │           │              │              │
  │ GPIO3_5 ──┼────── TX ──┤ RX           │
  │           │              │              │
  │ GPIO4_6 ──┼────── PPS ──┤ PPS（可选）  │
  │           │              │              │
  │    3.3V ──┼─────────────┤ VCC          │
  │           │              │              │
  │     GND ──┼─────────────┤ GND          │
  │           │              │              │
  └───────────┘              └──────────────┘

GPS 模块供电

大多数 GPS 模块使用 3.3V 供电，请确认模块规格，避免损坏。

2.3 引脚复用说明

需要配置的引脚复用：

pad	物理地址	配置值	说明
UART1_TXD (GPIO3_5)	0x100C0000	0x1003	func3 = UART1_TXD
UART1_RXD (GPIO3_6)	0x100C0004	0x1003	func3 = UART1_RXD
PPS (GPIO4_6)	0x100C0024	0x1005	func5 = GPIO（默认 JTAG_TRSTN）

JTAG 引脚冲突

GPIO4_6 默认是 JTAG 功能，需要配置为 GPIO 才能用作 PPS 输入。

3 编译与部署

3.1 前置条件

在编译本应用之前，请确保已完成以下准备工作：

1. SDK 环境已搭建：参照 开发环境搭建 完成交叉编译工具链和 SDK 配置
2. GPS 模块已连接：正确连接 GPS 模块到 UART1 接口
3. 天线已安装：GPS 模块天线正确安装

3.2 编译应用

# 设置工具链路径
export PATH=$PATH:<SDK>/tools/linux/toolchains/arm-gcc12.2.0-linux-uclibceabi/bin

# 进入示例目录
cd <SDK>/source/app/07_gps_display

# 编译
make

# 清理
make clean

编译成功后，在当前目录下生成可执行文件 gps_display。

3.3 部署到板端

# 使用 SCP 传输到开发板
scp gps_display root@<板端IP>:/usr/bin/

# 或通过 TFTP 下载
tftp -g -r gps_display <板端IP>

3.4 运行应用

# 添加执行权限
chmod +x /usr/bin/gps_display

# 运行 GPS 显示示例
/usr/bin/gps_display

应用启动后，TFT 屏幕将显示 GPS 定位信息，每 500ms 刷新一次，按 Ctrl+C 退出。

3.5 预期输出

控制台输出

/mnt # ./gps_display
[gps] pad 复用：UART1(3_5/3_6)->func3，GPIO4_6(PPS)->func5
[gps] pad 0x100C0000 -> 0x00001003
[gps] pad 0x100C0004 -> 0x00001003
[gps] pad 0x100C0024 -> 0x00001005
[gps] 初始化 SPI 屏（/dev/spidev2.0）...
[spi] pad 0x100C0028 -> 0x00001004
[spi] pad 0x100C002C -> 0x00001004
[spi] pad 0x100C0030 -> 0x00001000
[spi] pad 0x100C0020 -> 0x00001005
[spi] pad 0x100C001C -> 0x00001005
[spi] opening /dev/spidev2.0 ...
[spi] spidev opened, fd=3
[spi] spidev mode/bits/speed set (MODE3/8b/24MHz)
[spi] chardev request DC  @ /dev/gpiochip4 line 5 ...
[spi] chardev request RES @ /dev/gpiochip4 line 4 ...
[spi] chardev request CS  @ /dev/gpiochip5 line 1 ...
[spi] chardev-verify: DC=0(expect0) RES=1(expect1) CS=1(expect1)  ==> OK(chardev 真驱动了引脚)
[spi] spi_hal_init done
[tft] init: SLPOUT
[tft] init: SLPOUT +120ms ok
[tft] init: config cmds ok
[tft] init: DISPON
[tft] init: DISPON ok
[tft] init: clear-flush start
[tft] flush #1 start
[tft] flush #1 done
[tft] init: clear-flush done
[gps] 打开 UART（/dev/ttyAMA1）...
[uart] /dev/ttyAMA1 open, 9600 8N1 raw (VMIN=0 VTIME=2)
[gps] 申请 PPS 输入（GPIO4_6）...
[gps] 接收 NMEA 中，每 500ms 刷新，Ctrl+C 退出。（室内通常 NO FIX，到窗户/室外定位）

TFT 屏幕显示

固定与可变部分说明

• 固定部分：显示格式和布局（对于固定的代码）
• 可变部分：GPS 定位数据（每次刷新都会更新）

4 内部执行逻辑详解

4.1 应用架构

本应用采用分层设计，包括硬件抽象层、协议解析层和应用层：

// 应用层（main.c）
int main(int argc, char *argv[])
{
    // 1. 初始化引脚复用
    padmux_init();

    // 2. 初始化 UART HAL 层
    uart_init();

    // 3. 初始化 SPI TFT
    spi_init();
    tft_init();

    // 4. 初始化 GPIO（PPS）
    gpio_init();

    // 5. 主循环
    while (1) {
        // 读取 NMEA 数据
        char line[256];
        if (uart_read_line(line, sizeof(line)) > 0) {
            // 解析 NMEA 语句
            if (strncmp(line, "$GPGGA", 6) == 0 ||
                strncmp(line, "$GNGGA", 6) == 0 ||
                strncmp(line, "$BDGGA", 6) == 0) {
                nmea_parse_gga(line, &gps_data);
            }
            else if (strncmp(line, "$GPRMC", 6) == 0 ||
                     strncmp(line, "$GNRMC", 6) == 0 ||
                     strncmp(line, "$BDRMC", 6) == 0) {
                nmea_parse_rmc(line, &gps_data);
            }

            // 刷新显示
            tft_display_gps_info(&gps_data);
        }

        usleep(500000);  // 500ms 刷新间隔
    }

    return 0;
}

4.2 UART HAL 层实现

UART HAL 层封装了 Linux UART 字符设备操作：

// UART 初始化
int uart_init(void)
{
    int fd = open("/dev/ttyAMA1", O_RDWR | O_NOCTTY);
    if (fd < 0) {
        perror("打开 UART 设备失败");
        return -1;
    }

    // 配置 termios
    struct termios options;
    tcgetattr(fd, &options);

    // 设置波特率 9600
    cfsetispeed(&options, B9600);
    cfsetospeed(&options, B9600);

    // 8N1 配置
    options.c_cflag &= ~PARENB;   // 无校验
    options.c_cflag &= ~CSTOPB;   // 1 停止位
    options.c_cflag &= ~CSIZE;
    options.c_cflag |= CS8;        // 8 数据位

    // 原始模式（无处理）
    options.c_lflag &= ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG);
    options.c_oflag &= ~OPOST;

    // 设置超时
    options.c_cc[VTIME] = 1;     // 0.1 秒超时
    options.c_cc[VMIN] = 0;      // 不阻塞

    tcsetattr(fd, TCSANOW, &options);

    return fd;
}

// 按行读取 NMEA 数据
int uart_read_line(char *buffer, int max_len)
{
    int pos = 0;
    char ch;

    while (pos < max_len - 1) {
        if (read(uart_fd, &ch, 1) <= 0) {
            break;  // 读取失败或超时
        }

        if (ch == '\n') {
            break;  // 行结束
        }

        if (ch != '\r') {  // 跳过回车符
            buffer[pos++] = ch;
        }
    }

    buffer[pos] = '\0';
    return pos;
}

4.3 NMEA 协议解析

NMEA 协议解析层实现了 GGA 和 RMC 语句的解析：

// NMEA 数据结构
typedef struct {
    char time[16];        // HH:MM:SS
    char date[16];        // YYYY/MM/DD
    char lat[16];         // ddmm.mmmm N/S
    char lon[16];         // dddmm.mmmm E/W
    int fix_quality;      // 0=无定位, 1=GPS, 2=DGPS
    int num_sats;         // 卫星数量
    float altitude;       // 海拔（米）
    float speed;          // 速度（节）
    char status;          // A=定位, V=警告
} nmea_data_t;

// 解析 GGA 语句
void nmea_parse_gga(const char *sentence, nmea_data_t *data)
{
    char *token;
    int field = 0;

    // 复制语句用于解析
    char buffer[256];
    strncpy(buffer, sentence, sizeof(buffer));

    // 分割字段
    token = strtok(buffer, ",");
    while (token != NULL && field < 15) {
        switch (field) {
            case 1:  // 时间
                strncpy(data->time, token, sizeof(data->time) - 1);
                break;
            case 2:  // 纬度
                strncpy(data->lat, token, sizeof(data->lat) - 1);
                break;
            case 3:  // 纬度方向
                strcat(data->lat, " ");
                strcat(data->lat, token);
                break;
            case 4:  // 经度
                strncpy(data->lon, token, sizeof(data->lon) - 1);
                break;
            case 5:  // 经度方向
                strcat(data->lon, " ");
                strcat(data->lon, token);
                break;
            case 6:  // 定位质量
                data->fix_quality = atoi(token);
                break;
            case 7:  // 卫星数量
                data->num_sats = atoi(token);
                break;
            case 9:  // 海拔
                data->altitude = atof(token);
                break;
        }
        token = strtok(NULL, ",");
        field++;
    }
}

// 解析 RMC 语句
void nmea_parse_rmc(const char *sentence, nmea_data_t *data)
{
    // 类似 GGA 解析，处理时间、日期、状态、速度等字段
    // ... 实现代码 ...
}

4.4 TFT 显示更新

TFT 显示层实现了定位信息的可视化：

// 显示 GPS 定位信息
void tft_display_gps_info(const nmea_data_t *data)
{
    char buffer[64];

    // 清屏
    st7789_clear();

    // 标题
    st7789_text(0, 0, "GPS Display 240x240", WHITE, BLACK);

    // 卫星数量和时间
    snprintf(buffer, sizeof(buffer), "SAT: %02d  TIME: %s",
             data->num_sats, data->time);
    st7789_text(0, 24, buffer, WHITE, BLACK);

    // 日期
    snprintf(buffer, sizeof(buffer), "DATE: %s", data->date);
    st7789_text(0, 48, buffer, WHITE, BLACK);

    // 纬度
    snprintf(buffer, sizeof(buffer), "LAT: %s", data->lat);
    st7789_text(0, 72, buffer, WHITE, BLACK);

    // 经度
    snprintf(buffer, sizeof(buffer), "LON: %s", data->lon);
    st7789_text(0, 96, buffer, WHITE, BLACK);

    // 海拔
    snprintf(buffer, sizeof(buffer), "ALT: %.1f m", data->altitude);
    st7789_text(0, 120, buffer, WHITE, BLACK);

    // 速度
    snprintf(buffer, sizeof(buffer), "SPD: %.1f knots", data->speed);
    st7789_text(0, 144, buffer, WHITE, BLACK);

    // 定位状态
    if (data->fix_quality > 0) {
        st7789_text(0, 168, "FIX: VALID", GREEN, BLACK);
    } else {
        st7789_text(0, 168, "FIX: NO FIX", RED, BLACK);
    }

    // PPS 状态
    int pps = gpio_get_value(PPS_GPIO);
    snprintf(buffer, sizeof(buffer), "PPS: %d", pps);
    st7789_text(0, 192, buffer, WHITE, BLACK);

    // 刷新显示
    st7789_refresh();
}

5 关键编程要点

5.1 UART 配置参数

termios 关键参数：

// 波特率设置（9600）
cfsetispeed(&options, B9600);
cfsetospeed(&options, B9600);

// 8N1 配置
options.c_cflag |= CS8;        // 8 数据位
options.c_cflag &= ~PARENB;   // 无校验
options.c_cflag &= ~CSTOPB;   // 1 停止位

// 原始模式
options.c_lflag &= ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG);

常见波特率

• 9600：GPS 模块默认波特率
• 4800：部分老式 GPS 模块
• 38400：部分高精度 GPS 模块
• 115200：部分现代 GPS 模块

5.2 NMEA 语句格式

GGA 语句格式：

$GPGGA,hhmmss.ss,llll.llll,a,yyyyy.yyyy,a,x,xx,x.x,M,x.x,M,x.x,xxxx*hh
   │      │    │    │  │  │    │  │ │ │ │  │   │   │   │    │
   │      │    │    │  │  │    │  │ │ │ │  │   │   │   │    └─ 校验和
   │      │    │    │  │  │    │  │ │ │ │  │   │   │   └───── 空白系统ID
   │      │    │    │  │  │    │  │ │ │ │  │   │   └─────────── 差分站ID
   │      │    │    │  │  │    │  │ │ │ │  │   └─────────────── 海拔单位
   │      │    │    │  │  │    │  │ │ │ │  └──────────────────── 地球椭球面
   │      │    │    │  │  │    │  │ │ │ └──────────────────────── 海拔高度
   │      │    │    │  │  │    │  │ │ └────────────────────────── HDOP
   │      │    │    │  │  │    │  │ └──────────────────────────── 定位质量
   │      │    │    │  │  │    │  └───────────────────────────── 使用卫星数
   │      │    │    │  │  │    └──────────────────────────────── 经度方向
   │      │    │    │  │  └────────────────────────────────────── 经度
   │      │    │    │  └───────────────────────────────────────── 纬度方向
   │      │    │    └──────────────────────────────────────────── 纬度
   │      │    └───────────────────────────────────────────────── UTC时间
   │      └───────────────────────────────────────────────────── 帧头
   └─────────────────────────────────────────────────────────── 对话头ID

5.3 定位质量判断

fix_quality 字段含义：

switch (data->fix_quality) {
    case 0:  // 无定位
        // 显示 "NO FIX"
        break;
    case 1:  // GPS 定位
        // 显示 "GPS FIX"
        break;
    case 2:  // DGPS 定位
        // 显示 "DGPS FIX"
        break;
    default:  // 其他
        // 显示 "UNKNOWN"
        break;
}

5.4 PPS 脉冲检测

PPS（秒脉冲）用于精确时间同步：

// 配置 PPS GPIO 为输入
gpio_set_direction(PPS_GPIO, GPIO_INPUT);

// 读取 PPS 状态
int pps = gpio_get_value(PPS_GPIO);
if (pps) {
    // 秒脉冲高电平，记录精确时间
    gettimeofday(&pps_time, NULL);
}

6 代码定制说明

6.1 修改 UART 波特率

编辑 uart_hal.c 中的波特率设置：

// 9600（GPS 默认）
cfsetispeed(&options, B9600);
cfsetospeed(&options, B9600);

// 4800（老式 GPS）
cfsetispeed(&options, B4800);
cfsetospeed(&options, B4800);

// 38400（高精度 GPS）
cfsetispeed(&options, B38400);
cfsetospeed(&options, B38400);

6.2 添加更多 NMEA 语句

支持其他 NMEA 语句：

// 解析 GSA 语句（DOP 数据）
void nmea_parse_gsa(const char *sentence, nmea_data_t *data)
{
    // 解析 PDOP/HDOP/VDOP 等精度信息
}

// 解析 GSV 语句（卫星信息）
void nmea_parse_gsv(const char *sentence, nmea_data_t *data)
{
    // 解析卫星方位角、仰角、信噪比
}

6.3 实现数据记录

记录 GPS 轨迹数据：

// 打开轨迹文件
FILE *track_log = fopen("/mnt/sdcard/gps_track.log", "a");

// 记录定位数据
if (data->fix_quality > 0) {
    fprintf(track_log, "%s,%.8f,%.8f,%.1f,%.1f\n",
            data->time,
            parse_latitude(data->lat),
            parse_longitude(data->lon),
            data->altitude,
            data->speed);
    fflush(track_log);
}

7 常见问题排查

问题	可能原因	解决方案
一直显示 "NO FIX"	GPS 冷启动、室内信号弱	移至室外、窗户旁，等待冷启动完成
无数据（SAT:00）	UART 连接失败、波特率不匹配	检查 TX/RX 接线、确认波特率配置
时间显示 "--:--:--"	NMEA 数据解析失败	检查 NMEA 语句格式、验证协议解析
经纬度为空	GPS 未定位、GGA 语句缺失	等待 GPS 定位、检查 GGA 语句
模块无响应	供电不足、模块故障	确认 3.3V 供电、更换 GPS 模块
数据更新缓慢	UART 缓冲区问题、刷新间隔过长	优化读取策略、调整刷新频率

GPS 定位测试

GPS 模块首次定位可能需要 30 秒到几分钟，这是正常现象（冷启动）。

8 进阶扩展

8.1 实现轨迹记录

记录和显示 GPS 运动轨迹：

// 轨迹点结构
typedef struct {
    double lat;
    double lon;
    float altitude;
    time_t timestamp;
} track_point_t;

// 轨迹缓冲区
track_point_t track_buffer[1000];
int track_index = 0;

// 添加轨迹点
void add_track_point(const nmea_data_t *data)
{
    if (data->fix_quality > 0 && track_index < 1000) {
        track_buffer[track_index].lat = parse_latitude(data->lat);
        track_buffer[track_index].lon = parse_longitude(data->lon);
        track_buffer[track_index].altitude = data->altitude;
        track_buffer[track_index].timestamp = time(NULL);
        track_index++;
    }
}

// 显示轨迹
void display_track(void)
{
    for (int i = 0; i < track_index; i++) {
        int x = longitude_to_x(track_buffer[i].lon);
        int y = latitude_to_y(track_buffer[i].lat);
        st7789_set_pixel(x, y, YELLOW);
    }
    st7789_refresh();
}

8.2 实现坐标转换

实现经纬度到屏幕坐标的转换：

// 经纬度转屏幕坐标
int longitude_to_x(double lon)
{
    // 简单线性映射
    return (int)((lon - LON_MIN) / (LON_MAX - LON_MIN) * TFT_WIDTH);
}

int latitude_to_y(double lat)
{
    return (int)((lat - LAT_MIN) / (LAT_MAX - LAT_MIN) * TFT_HEIGHT);
}

// 绘制当前位置标记
void draw_position_marker(double lon, double lat)
{
    int x = longitude_to_x(lon);
    int y = latitude_to_y(lat);

    // 绘制十字标记
    st7789_draw_hline(x - 5, x + 5, y, RED);
    st7789_draw_vline(x, y - 5, y + 5, RED);
}

8.3 实现 NMEA 校验和验证

添加 NMEA 校验和验证：

// 计算 NMEA 校验和
uint8_t nmea_checksum(const char *sentence)
{
    uint8_t checksum = 0;
    int len = strlen(sentence);

    for (int i = 1; i < len; i++) {  // 跳过起始符 $
        if (sentence[i] == '*') {
            break;  // 校验和结束
        }
        checksum ^= sentence[i];
    }

    return checksum;
}

// 验证 NMEA 校验和
int nmea_verify(const char *sentence)
{
    const char *asterisk = strrchr(sentence, '*');
    if (!asterisk) {
        return 0;  // 无校验和
    }

    uint8_t calculated = nmea_checksum(sentence);
    uint8_t received = strtol(asterisk + 1, NULL, 16);

    return (calculated == received);
}

9 参考链接

• UART 接口详解
• SPI 接口详解
• GPIO 接口详解
• TFT 显示应用
• 开发环境搭建
• NMEA-0183 标准