【RA4M2-SENSOR】串口读取 GPS

本文介绍了 RA4M2-SENSOR 通过串口通信接口 UART 读取 GPS 模块，并串口发送原始数据和解析数据的项目设计。

项目介绍

• 硬件连接：GPS 模块通过串口与开发板的 UART0 对应引脚连接；
• 工程创建：使用 e2 studio 软件实现空白工程创建；
• 工程配置：包括GPIO引脚、时钟树、堆栈、串口重定向等配置；
• 工程代码：包括主程序代码和 GPS 函数定义头文件和源文件；
• 效果演示：串口打印读取到的 GPS 原始数据和解析数据。

硬件连接

GPS 模块与开发板连接方式如下

实物图

工程创建

• 打开 e^2^ studio 软件；
• 依次点击 文件 - 新建 - 瑞萨 C/C++ 项目 - Renesas RA ；
• 依次进行工程命名，路径设置，FSP版本，目标开发板选择，Device 选择 R7FA4E2B93CFM ，工具链选择 GNU ARM Embedded ，调试器选择 J-Link ，完成工程创建 ；

工程配置

包括 Pins、Clock、Stacks 等配置。

GPIO 引脚

• 进入 FSP 配置界面，打开 Pins 标签页，根据原理图或开发板丝印，将 P109 和 P110 引脚分别配置为 TXD9 和 RXD9 串口模式；
• 同理，将 P101 和 P100 引脚分别配置为 TXD0 和 RXD0 串口模式；

时钟树

• 进入 Clock 时钟标签页，将 XTAL 外部高速晶振修改为 12MHz，FCLK Div 设置为 2 分频；

UART 堆栈

• 新建串口通信堆栈 New Stack - Connectivity - UART (r_sci_uart) ；
• 串口属性配置，General 标签下的 Channel 改为 9，名称改为 g_uart9，中断回调函数命名为 user_uart9_callback；
• 再次新建串口通信堆栈 New Stack - Connectivity - UART (r_sci_uart) ；
• 串口属性配置，General 标签下的 Channel 改为 0，名称改为 g_uart0，中断回调函数命名为 user_uart0_callback，注意波特率需要修改为 9600 并与 GPS 模块匹配；

• 进入 BSP 标签页，配置 RA Common 属性，RA Common 标签下的 Heap size 改为 0x2000；
• 点击 Generate Project Content 按钮，生成工程代码。

串口重定向

• 右键项目进入属性界面，选择 C/C++ 构建 - 设置 - GNU Arm Cross C Linker - Miscellaneous，勾选 printf 、scanf 以及syscalls 选项。

  

工程代码

在 .../src 目录下新建源文件 gps_parser.c 和头文件 gps_parser.h 用于配置 GPS 相关解析函数。

hal_entry.c

#include "hal_data.h"
#include "gps_parser.h"
#include "stdio.h"
#include <string.h>

FSP_CPP_HEADER
void R_BSP_WarmStart(bsp_warm_start_event_t event);
FSP_CPP_FOOTER

fsp_err_t err = FSP_SUCCESS;
volatile bool uart_send_complete_flag = false;
void user_uart9_callback (uart_callback_args_t * p_args)
{
    if(p_args->event == UART_EVENT_TX_COMPLETE)
    {
        uart_send_complete_flag = true;
    }
}

/*------------- 串口重定向 -------------*/
#ifdef __GNUC__
    #define PUTCHAR_PROTOTYPE int __io_putchar(int ch)
#else

#endif

PUTCHAR_PROTOTYPE
{
        err = R_SCI_UART_Write(&g_uart9_ctrl, (uint8_t *)&ch, 1);
        if(FSP_SUCCESS != err) __BKPT();
        while(uart_send_complete_flag == false){}
        uart_send_complete_flag = false;
        return ch;
}

int _write(int fd,char *pBuffer,int size)
{
    for(int i=0;i<size;i++)
    {
        __io_putchar(*pBuffer++);
    }
    return size;
}

// 全局变量
volatile uint8_t gps_rx_buffer[256];
volatile uint16_t gps_rx_index = 0;
volatile bool gps_line_ready = false;

gps_data_t current_gps_data;

// SCI0回调函数（GPS数据接收）
void user_uart0_callback(uart_callback_args_t * p_args)
{
    if (p_args->event == UART_EVENT_RX_CHAR)
    {
        uint8_t rx_char = (uint8_t)p_args->data;

        // 存储接收到的字符
        if (gps_rx_index < (sizeof(gps_rx_buffer) - 1))
        {
            gps_rx_buffer[gps_rx_index++] = rx_char;

            // 检查是否收到换行符（一行结束）
            if (rx_char == '\n')
            {
                gps_rx_buffer[gps_rx_index] = '\0';
                gps_line_ready = true;
                gps_rx_index = 0;
            }
        }
        else
        {
            // 缓冲区溢出，重置
            gps_rx_index = 0;
        }
    }
}

// 初始化函数
void init_system(void)
{
    fsp_err_t err;

    printf("=== RA4M2 GPS Receiver ===\r\n");
    printf("Initializing system...\r\n");

    // 初始化GPS解析器
    gps_parser_init();

    // 打开SCI9（printf输出）
    err = R_SCI_UART_Open(&g_uart9_ctrl, &g_uart9_cfg);
    if (FSP_SUCCESS != err)
    {
        while(1); // 初始化失败
    }
    printf("SCI9 (printf) initialized at 115200 baud\r\n");

    // 打开SCI0（GPS数据接收）
    err = R_SCI_UART_Open(&g_uart0_ctrl, &g_uart0_cfg);
    if (FSP_SUCCESS != err)
    {
        printf("Error: Failed to initialize SCI0 for GPS\r\n");
        while(1);
    }
    printf("SCI0 (GPS) initialized at 9600 baud\r\n");
    printf("Waiting for GPS data...\r\n\r\n");
}

// 处理GPS数据
void process_gps_data(void)
{
    if (gps_line_ready)
    {
        // 禁用中断以防数据被修改
        __disable_irq();

        // 复制数据到本地缓冲区
        char nmea_line[256];
        strncpy(nmea_line, (char *)gps_rx_buffer, sizeof(nmea_line));
        nmea_line[sizeof(nmea_line) - 1] = '\0';

        gps_line_ready = false;

        // 使能中断
        __enable_irq();

        // 打印原始NMEA数据
        printf("RAW: %s", nmea_line);

        // 解析GPGGA语句
        if (strstr(nmea_line, "$GPGGA"))
        {
            if (parse_gpgga(nmea_line, &current_gps_data))
            {
                print_gps_data(&current_gps_data);
            }
            else
            {
                printf("Failed to parse GPGGA data\r\n");
            }
        }
        // 可以添加其他NMEA语句的解析
        else if (strstr(nmea_line, "$GPRMC"))
        {
            printf("GPRMC sentence received\r\n");
        }

        printf("\r\n");
    }
}

// 打印解析后的GPS数据
void print_parsed_gps_data(void)
{
    static uint32_t last_print_time = 0;
    static uint32_t current_time = 0;

    current_time++;

    // 每2秒打印一次解析结果
    if (current_time - last_print_time >= 200)
    {
        last_print_time = current_time;

        printf("\r\n=== PARSED GPS DATA ===\r\n");

        if (current_gps_data.is_valid)
        {
            printf("Latitude:  %.6f°\r\n", current_gps_data.latitude);
            printf("Longitude: %.6f°\r\n", current_gps_data.longitude);
            printf("Altitude:  %.1f m\r\n", current_gps_data.altitude);
            printf("Satellites: %d\r\n", current_gps_data.satellites);
            printf("Fix Quality: %d\r\n", current_gps_data.fix_quality);

            // 根据定位质量显示状态
            switch (current_gps_data.fix_quality)
            {
                case 0: printf("Status: Invalid fix\r\n"); break;
                case 1: printf("Status: GPS fix\r\n"); break;
                case 2: printf("Status: DGPS fix\r\n"); break;
                default: printf("Status: Other fix (%d)\r\n", current_gps_data.fix_quality); break;
            }
        }
        else
        {
            printf("No valid GPS fix\r\n");
            printf("Satellites in view: %d\r\n", current_gps_data.satellites);
        }

        printf("==========================\r\n");
    }
}

/*******************************************************************************************************************//**
 * main() is generated by the RA Configuration editor and is used to generate threads if an RTOS is used.  This function
 * is called by main() when no RTOS is used.
 **********************************************************************************************************************/
void hal_entry(void)
{
    /* TODO: add your own code here */
    err = R_SCI_UART_Open(&g_uart9_ctrl, &g_uart9_cfg);
    assert(FSP_SUCCESS == err);
    printf("RA4M2 GPS Reader Started\r\n");
    // 系统初始化
    init_system();

    uint32_t status_counter = 0;
    while(1){
        //printf("hello world!\n");
        //R_BSP_SoftwareDelay (500, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS);
        // 处理GPS数据
        process_gps_data();
        print_parsed_gps_data();

        // 每隔一段时间打印状态
        status_counter++;
        if (status_counter >= 1000) // 约每10秒
        {
            printf("[Status] System running...\r\n");
            if (current_gps_data.is_valid)
            {
                printf("[Status] GPS fix acquired\r\n");
            }
            else
            {
                printf("[Status] Waiting for GPS fix\r\n");
            }
            status_counter = 0;
        }

        // 短暂延时
        R_BSP_SoftwareDelay(10, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS);
    }
#if BSP_TZ_SECURE_BUILD
    /* Enter non-secure code */
    R_BSP_NonSecureEnter();
#endif
}

gps_parser.c

#include "gps_parser.h"
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

// 初始化GPS解析器
void gps_parser_init(void)
{
    // 可以在这里初始化任何需要的变量
}

// 解析GPGGA语句
bool parse_gpgga(const char *nmea_sentence, gps_data_t *gps_data)
{
    if (!nmea_sentence || !gps_data || strncmp(nmea_sentence, "$GPGGA", 6) != 0)
    {
        return false;
    }

    // 初始化数据结构
    memset(gps_data, 0, sizeof(gps_data_t));
    gps_data->is_valid = false;

    char sentence_copy[256];
    strncpy(sentence_copy, nmea_sentence, sizeof(sentence_copy) - 1);
    sentence_copy[sizeof(sentence_copy) - 1] = '\0';

    char *token = strtok(sentence_copy, ",");
    int field_index = 0;
    double latitude = 0.0, longitude = 0.0;
    char lat_dir = 'N', lon_dir = 'E';

    while (token != NULL)
    {
        switch (field_index)
        {
            case 1: // UTC时间
                // 可以在这里解析时间
                break;

            case 2: // 纬度
                latitude = atof(token);
                break;

            case 3: // 纬度方向
                lat_dir = token[0];
                break;

            case 4: // 经度
                longitude = atof(token);
                break;

            case 5: // 经度方向
                lon_dir = token[0];
                break;

            case 6: // 定位质量
                gps_data->fix_quality = atoi(token);
                break;

            case 7: // 卫星数量
                gps_data->satellites = atoi(token);
                break;

            case 9: // 海拔高度
                gps_data->altitude = atof(token);
                break;

            default:
                break;
        }

        token = strtok(NULL, ",");
        field_index++;
    }

    // 转换度分格式为十进制度
    if (latitude > 0)
    {
        double lat_deg = (int)(latitude / 100);
        double lat_min = latitude - (lat_deg * 100);
        gps_data->latitude = lat_deg + (lat_min / 60.0);
        if (lat_dir == 'S') gps_data->latitude = -gps_data->latitude;
    }

    if (longitude > 0)
    {
        double lon_deg = (int)(longitude / 100);
        double lon_min = longitude - (lon_deg * 100);
        gps_data->longitude = lon_deg + (lon_min / 60.0);
        if (lon_dir == 'W') gps_data->longitude = -gps_data->longitude;
    }

    // 检查数据有效性
    gps_data->is_valid = (gps_data->fix_quality > 0);

    return gps_data->is_valid;
}

// 解析GPRMC语句
bool parse_gprmc(const char *nmea_sentence, gps_data_t *gps_data, gps_time_t *time_data)
{
    // 类似的解析逻辑，可以根据需要实现
    return false;
}

// 打印GPS数据
void print_gps_data(const gps_data_t *gps_data)
{
    if (!gps_data || !gps_data->is_valid)
    {
        printf("GPS Data: No valid fix\r\n");
        return;
    }

    printf("=== GPS Information ===\r\n");
    printf("Latitude:  %.6f°\r\n", gps_data->latitude);
    printf("Longitude: %.6f°\r\n", gps_data->longitude);
    printf("Altitude:  %.1f m\r\n", gps_data->altitude);
    printf("Satellites: %d\r\n", gps_data->satellites);
    printf("Fix Quality: %d\r\n", gps_data->fix_quality);
    printf("========================\r\n");
}

// 打印时间数据
void print_gps_time(const gps_time_t *time_data)
{
    if (time_data)
    {
        printf("Time: %02d:%02d:%02d UTC\r\n",
               time_data->hour, time_data->minute, time_data->second);
    }
}

gps_parser.h

#ifndef GPS_PARSER_H_
#define GPS_PARSER_H_

#include <stdint.h>
#include <stdbool.h>

#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif

// GPS位置数据结构
typedef struct {
    double latitude;      // 纬度（十进制度）
    double longitude;     // 经度（十进制度）
    float altitude;       // 海拔高度（米）
    uint8_t satellites;   // 卫星数量
    uint8_t fix_quality;  // 定位质量
    bool is_valid;        // 数据是否有效
} gps_data_t;

// 时间数据结构
typedef struct {
    uint8_t hour;
    uint8_t minute;
    uint8_t second;
} gps_time_t;

// 函数声明
void gps_parser_init(void);
bool parse_gpgga(const char *nmea_sentence, gps_data_t *gps_data);
bool parse_gprmc(const char *nmea_sentence, gps_data_t *gps_data, gps_time_t *time_data);
void print_gps_data(const gps_data_t *gps_data);
void print_gps_time(const gps_time_t *time_data);

#ifdef __cplusplus
}
#endif

#endif /* GPS_PARSER_H_ */

保存代码，构建工程、调试工程。

效果演示

• TypeC - USB 数据线连接开发板串口和电脑；
• 打开串口调试助手，连接并打开板载串口 9，配置对应的波特率等参数；
• 打开串口，即可接收读取到的 GPS 原始数据和解析数据；

解析数据包括时间、日期、经纬度、速度等信息。

动态效果见底部视频。

总结

本文介绍了 RA4M2-SENSOR 通过串口通信接口 UART 读取 GPS 模块，并串口发送原始数据和解析数据的项目设计，为该产品的相关开发设计与快速应用提供了参考。