U-BLOX GPS 模块及GPRMC指令解析

      受朋友所托，调试一款GPS模块，该模块是UBLOX的NEO-6M GPS模组。想到用这款GPS的人较多，自己日后也有可能在用到这个模块，就写下这份笔记。

1. 介绍

基本信息如下：

1， 模块采用U-BLOX NEO-6M模组，体积小巧，性能优异。

2， 模块增加放大电路，有利于无缘陶瓷天线快速搜星。

3， 模块可通过串口进行各种参数设置，并可保存在EEPROM，使用方便。

4， 模块自带SMA接口，可以连接各种有源天线，适应能力强。

5， 模块兼容3.3V/5V电平，方便连接各种单片机系统。

6， 模块自带可充电后备电池，可以掉电保持星历数据。

看到这里，就可以知道，这个模块是高度集成的，有点类似于西门子华为等公司的GPRS模块，基本上就是一个小的系统，用户只需要用AT命令通过串口通信就可以完成所有工作。那么这款模块的使用，其实就是字符串的解析工作了。

 

2. 通信协议

GPS模块采用NMEA 0183协议，NMEA 0183是美国国家海洋电子协会（National Marine Electronics Association）为海用电子设备制定的标准格式。目前业已成了GPS导航设备统一的RTCM（Radio Technical Commission for Maritime services）标准协议。

NMEA-0183协议采用ASCII码来传递GPS定位信息，我们称之为帧。

帧格式形如：$aaccc,ddd,ddd,„,ddd*hh(CR)(LF)

1、“$”：帧命令起始位

2、aaccc：地址域，前两位为识别符（aa），后三位为语句名（ccc）

3、ddd„ddd：数据

4、“*”：校验和前缀（也可以作为语句数据结束的标志）

5、hh：校验和，$与*之间所有字符ASCII码的校验和（各字节做异或运算，得到

校验和后，再转换16进制格式的ASCII字符）

6、(CR)(LF)：帧结束，回车和换行符

在一般的项目中，最常用的指令是第4个，即$GPRMC ，推荐定位信息，长度70字节。$GPRMC（推荐定位信息，Recommended Minimum Specific GPS/Transit Data），$GPRMC语句的基本格式如下：

 $GPRMC,(1),(2),(3),(4),(5),(6),(7),(8),(9),(10),(11),(12)*hh(CR)(LF)

(1) UTC时间，hhmmss（时分秒）

(2) 定位状态，A=有效定位，V=无效定位

(3) 纬度ddmm.mmmmm（度分）

(4) 纬度半球N（北半球）或S（南半球）

(5) 经度dddmm.mmmmm（度分）

(6) 经度半球E（东经）或W（西经）

(7) 地面速率（000.0~999.9节）

(8) 地面航向（000.0~359.9度，以真北方为参考基准）

(9) UTC日期，ddmmyy（日月年）

(10)磁偏角（000.0~180.0度，前导位数不足则补0）

(11) 磁偏角方向，E（东）或W（西）

(12) 模式指示（A=自主定位，D=差分，E=估算，N=数据无效）

举例如下：

$GPRMC,023543.00,A,2308.28715,N,11322.09875,E,0.195,,240213,,,A*78 

3. PC端显示数据

GPS模块有一个PC配置软件，叫做u-Center，可以对模块进行参数设置，然后保存到EEPROM，其实也可以通过单片机串口通信进行设置，但是PC端设置更加人性化，可以立刻看到结果。

打开GPS模块之后，接上u-Center软件，可以看到如下数据。

 1   $GPGSV,2,2,08,21,15,076,,23,52,270,,26,50,050,,27,52,179,*7D
 2   $GPRMC,132043.00,V,,,,,,,120116,,,N*7F
 3   $GPVTG,,,,,,,,,N*30
 4   $GPGSA,A,1,,,,,,,,,,,,,99.99,99.99,99.99*30
 5   $GPGSV,2,1,08,03,00,230,,07,02,301,,08,24,198,,16,72,000,*7B
 6   $GPGSV,2,2,08,21,15,076,,23,52,270,,26,50,050,,27,52,179,*7D
 7   $GPRMC,132044.00,V,,,,,,,120116,,,N*78
 8   $GPVTG,,,,,,,,,N*30
 9   $GPGSA,A,1,,,,,,,,,,,,,99.99,99.99,99.99*30
10   $GPGSV,2,1,08,03,00,230,,07,02,301,,08,24,198,,16,72,000,*7B
11   $GPGSV,2,2,08,21,15,076,,23,52,270,25,26,50,050,,27,52,179,*7A
12   $GPRMC,132045.00,V,,,,,,,120116,,,N*79
13   $GPVTG,,,,,,,,,N*30
14   $GPGSA,A,1,,,,,,,,,,,,,99.99,99.99,99.99*30
15   $GPGSV,2,1,08,03,00,230,,07,02,301,,08,24,198,,16,72,000,*7B
16   $GPGSV,2,2,08,21,15,076,,23,52,270,,26,50,050,,27,52,179,*7D
17   $GPRMC,132046.00,V,,,,,,,120116,,,N*7A
18   $GPVTG,,,,,,,,,N*30
19   $GPGSV,2,1,08,03,00,230,,07,02,301,,08,24,198,,16,72,000,*7B
20   $GPGSV,2,2,08,21,15,076,07,23,52,270,20,26,50,050,,27,52,179,*78
21   $GPRMC,132049.00,V,,,,,,,120116,,,N*75
22   $GPRMC,133300.00,V,,,,,,,120116,,,N*7A
23   $GPRMC,133301.00,V,,,,,,,120116,,,N*7B
24   $GPRMC,133302.00,V,,,,,,,120116,,,N*78
25   $GPRMC,133303.00,V,,,,,,,120116,,,N*79
26   $GPRMC,133304.00,V,,,,,,,120116,,,N*7E
27   $GPRMC,133305.00,V,,,,,,,120116,,,N*7F
28   $GPRMC,133306.00,A,3949.63075,N,11616.48616,E,0.513,,120116,,,A*7A
29   $GPRMC,133307.00,A,3949.63025,N,11616.48614,E,1.053,,120116,,,A*7C
30   $GPRMC,133308.00,A,3949.63002,N,11616.48641,E,1.101,,120116,,,A*70
31   …………

 

4. PC端软件配置

      GPS有7种指令数据输出，如果我们只需要当前经纬度的话，可以屏蔽其他的数据。如果不屏蔽的话，MCU处理的时候，会不停的收到不需要的指令，降低MCU效率。

使用软件配置，[Config]-->[Configuration]， 可以选择显示哪些项目，这里只保留GPRMC指令信息输出，然后保存。界面显示如下：

 

5. 数据解析

      相对于MCU的处理速度，GPS定位数据更新几乎可以认为是缓慢变化的信号，每秒都会输出推荐位置信息，但是即使丢掉几个也不会影响定位准确性。因此可以使用中断循环buffer来接收GPS输出的串口数据，然后在需要的地方读取buffer，对数据实现一次检索，找到一个有用的GPS定位数据。

/*******************************************************************************
1.中断负责把GPS串口数据保存到GPS_Uart_Rcv_Buf，在合适的地方调用此函数开始解析。
2.调用本函数会自动关闭接收,然后处理，期间的GPS数据可以忽略。
3.在合适的地方打开接收。
*******************************************************************************/
uint8_t get_gps_useful_data(uint8_t *weidu, uint8_t *jingdu)
{ 
     uint8_t *p_frame_start = NULL;
     uint8_t *p_useful_frame_start = NULL;
     uint8_t *p_useful_frame_end = NULL;
     int16_t frame_len = 0;
     int16_t rcv_buf_data_len = 0;
     int16_t index = 0;
     int16_t frame_start_point = 0;
     int16_t remain_data_len = 0;
     uint8_t rtn =0;
    
     gps_rcv_enable(FALSE); 
     rcv_buf_data_len = GPS_Rev_Buf_Size;
     p_frame_start = &GPS_Uart_Rcv_Buf[0];
        
    /* data example:
            $GPVTG,,,,,,,,,N*30 
            $GPRMC,132234.00,V,,,,,,,120116,,,N*7D 
            $GPRMC,133735.00,A,3949.63893,N,11616.48419,E,0.296,,120116,,,A*79
    */    
     for(index = 0; index < rcv_buf_data_len; )
     {     
         p_frame_start=strstr(GPS_Uart_Rcv_Buf + index, "$GPRMC,"); //1. find start, "$GPRMC,"
         //$GPRMC,132234.00,V,,,,,,,120116,,,N*7D $GPRMC,133735.00,A,3949.63893,N,11616.48419,E,0.296,,120116,,,A*79
         if(p_frame_start) 
         {
              index = p_frame_start-GPS_Uart_Rcv_Buf;
              if(index>0)
                {
                    memset(GPS_Uart_Rcv_Buf, 0 , index);
                }

              index = index + 7;
              p_useful_frame_start = strstr(GPS_Uart_Rcv_Buf + index, ",A,");//2 find useful data, ",A,"
              frame_start_point = p_useful_frame_start - p_frame_start;
              if((frame_start_point > 20)||(frame_start_point <= 0))//not find useful data
                {
                    continue;
                }
                frame_start_point = p_useful_frame_start-GPS_Uart_Rcv_Buf;
                p_useful_frame_end = strstr(GPS_Uart_Rcv_Buf + frame_start_point, ",A*");//3 find useful data end, ",A*"
                frame_len = p_useful_frame_end - p_frame_start + 1; 
                if((frame_len > GPS_Frame_Buf_Size)||(frame_len <= 50)) // not found frame end
                {
                    continue;
                }
                
                //$GPRMC,133735.00,A,3949.63893,N,11616.48419,E,0.296,,120116,,,A*79
                frame_start_point = p_frame_start - GPS_Uart_Rcv_Buf + 1;
                memset(GPS_Frame_Buf, 0, GPS_Frame_Buf_Size);
                memcpy(GPS_Frame_Buf, GPS_Uart_Rcv_Buf + frame_start_point , frame_len);
//                 if(check_frame_xor(GPS_Frame_Buf) != TRUE) 
//                 {
//                     continue;
//                 }
                //the frame is correct
                rtn = read_gps_data(GPS_Frame_Buf, remain_data_len, weidu, jingdu);
                if(1 == rtn)
                {
                    break; //found weidu,jingdu data
                }
                else
                {
                     continue;
                }
            }
            else
            {
               break;
            } 
        }
        g_gps_data_cnt = 0;
        memset(GPS_Uart_Rcv_Buf, 0, GPS_Rev_Buf_Size);
       return rtn;
}

     上面处理的基本思想是：找到"$GPRMC,"帧头，然后找到代表定位信息有效的字符",A,"，最后找到帧尾",A*"。

     因为实际收到的数据有不完整的，或者无效的定位信息，也有串口接收循环buffer造成的覆盖数据，因此上面还校验了数据长度，以及一个标志字符串到另一个字符串直接的长度。

     实际使用中，发现没有加上校验也可以很有效的工作，但是为了保证数据安全，最后的异或校验还有应该有的。

/*******************************************************************************
* Function Name  : 
* Description    : 对GPRMC数据包进行解析，找到经纬度数据
* Input          :  
* Output         :  
* Return         :  
*******************************************************************************/
uint8_t read_gps_data(uint8_t *gps_buf, uint8_t frame_len, uint8_t *weidu, uint8_t *jindu)
 {
     uint8_t *weidu_s = NULL;
     uint8_t *weidu_o = NULL;
     uint8_t *jingdu_o = NULL;
     uint8_t rtn =0;
     //GPRMC,133735.00,A,3949.63893,N,11616.48419,E,0.296,,120116,,,A*79
     weidu_s  = strstr(GPS_Frame_Buf, ",A,");
     weidu_o  = strstr(GPS_Frame_Buf, ",N,");
     jingdu_o = strstr(GPS_Frame_Buf, ",E,");
     if((weidu_s == NULL) || (weidu_o == NULL) ||(jingdu_o == NULL) )
     {
         rtn = FALSE;
     }
     else
     {
          memset(weidu_buf,0,sizeof(weidu_buf));
          memset(jindu_buf,0,sizeof(jindu_buf));
          memcpy(weidu_buf, weidu_s+3, (weidu_o-weidu_s-3));
          memcpy(jindu_buf, weidu_o+3, (jingdu_o-weidu_o-3));
          printf("\r\n---------------------------------------");
          printf("\r\nGet GPS Frame:\r\n%s\r\n", GPS_Frame_Buf);
          printf("\r\n---------------------------------------");
          rtn = TRUE;
     }
    return rtn;
}

6. 总结

      本文总结了GPS模块的基本使用方法，可以得到经度和纬度信息。对于此类的模块产品，主要工作有两大部分：

      1：模块的熟悉，包括配置和指令的使用，一般可以一边读文档一边跑下demo体验效果；

      2：字符串的解析。

      同样的经验可以应用于很多串口模块。

      例如GPRS模块，蓝牙模块，zigbee模块，TCP模块，CAN模块，485模块。

      这几种产品我都使用过，其基本思路是一样的，调试时候可以先用串口助手模拟MCU来发数据，其实大部分模块都有自己的PC端工具，可以很快的看到效果。

      使用模块可以极大地提升项目效率，但是灵活性和成本上会有所牺牲。另外，由于模块的封闭性，一般都要写很多的异常保护处理来保证产品的正常工作。