【RA4M2-SENSOR】便携 GPS 定位器

本文介绍了 RA4M2-SENSOR 通过 IIC 协议实现 OLED 显示，并结合串口通信读取 GPS 模块数据，实现便携式 GPS 定位器的项目设计。

项目介绍

• 硬件连接：GPS 模块和 OLED 分别与开发板的 UART0 和 SCI2-IIC 对应引脚连接；
• 工程创建：使用 e^2^ studio 软件实现空白工程创建；
• 工程配置：包括 GPIO 引脚、时钟树、UART堆栈、IIC 堆栈等配置；
• 工程代码：包括流程图、主程序代码、 GPS 解析代码和 OLED 驱动代码；
• 效果演示：OLED 显示实时卫星定位经纬度信息、串口打印读取到的 GPS 原始数据和解析数据。

硬件连接

OLED 与开发板连接方式如下

GPS 模块与开发板连接方式如下

实物图

动态效果见顶部视频。

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 R7FA4M2AD3CFL ，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；

• 将 SCI2 配置为 Simple I2C 模式，引脚定义为 P302 和 P301 分别对应 SDA2 和 SCL2 ；

  

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；

IIC 堆栈

• 新建 IIC 通信堆栈

  • Stacks - New Stack - Connectivity - I2C Master (r_sci_i2c)

• 选中 iic 堆栈方框，打开属性标签，配置 IIC 参数；

• 属性设置： 属性 - Module g_i2c_master0 I2C Master (r_iic_master) ；

• Slave Address 设置为 0x3C ；

• 回调函数默认为 sci_i2c_master_callback ；

• 点击 Generate Project Content 按钮，生成工程代码。

流程图

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 "oled.h"
#include "bmp.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"))
        {
            gps_time_t rmc_time;
            if (parse_gprmc(nmea_line, &current_gps_data, &rmc_time))
            {
                // 如果GPGGA没有提供时间，使用GPRMC的时间
                if (current_gps_data.time.hour == 0 &&
                    current_gps_data.time.minute == 0 &&
                    current_gps_data.time.second == 0)
                {
                    current_gps_data.time = rmc_time;
                }
            }
            //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)
        {
            // 打印时间信息
            print_gps_time(&current_gps_data.time);
            printf("\r\n");
            // 打印位置信息
            printf("Latitude:  %.6f°\r\n", current_gps_data.latitude); // 纬度
            OLED_ShowDecimal(48, 6, current_gps_data.latitude, 2, 4, 16, 0);
            printf("Longitude: %.6f°\r\n", current_gps_data.longitude); //经度
            OLED_ShowDecimal(48, 3, current_gps_data.longitude, 3, 4, 16, 0);
            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
        {
            // 即使没有有效定位，也显示时间和卫星信息
            if (current_gps_data.time.hour != 0 ||
                current_gps_data.time.minute != 0 ||
                current_gps_data.time.second != 0)
            {
                print_gps_time(&current_gps_data.time);
                printf("\r\n");
            }

            printf("No valid GPS fix\r\n");
            OLED_ShowString(60,6,"None",16,0);
            OLED_ShowString(60,3,"None",16,0);
            printf("Satellites in view: %d\r\n", current_gps_data.satellites);
            printf("Waiting for satellite lock...\r\n");
        }

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

i2c_master_event_t i2c_event = I2C_MASTER_EVENT_ABORTED;
void sci_i2c_master_callback(i2c_master_callback_args_t *p_args)
{
    i2c_event = I2C_MASTER_EVENT_ABORTED;
    if (NULL != p_args)
    {
        /* capture callback event for validating the i2c transfer event*/
        i2c_event = p_args->event;
    }
}
//fsp_err_t err = FSP_SUCCESS;
int  timeout_ms = 100;

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;
    /* Initialize IIC OLED */
            err = R_SCI_I2C_Open(&g_i2c2_ctrl, &g_i2c2_cfg);
            assert(FSP_SUCCESS == err);
            OLED_Init();
            OLED_Clear();
            OLED_DrawBMP(0,0,128,8,BMP1,0); // initialized page -> Renesas logo
            R_BSP_SoftwareDelay(200, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS);

            /*----------- Frame ------------*/
            OLED_Clear();
            OLED_ShowString(0,0,"   GPS ",16,1);
            OLED_ShowCHinese(56,0,0,1);//定
            OLED_ShowCHinese(72,0,1,1);//位
            OLED_ShowCHinese(88,0,2,1);//器
            OLED_ShowString(104,0,"   ",16,1);

            //OLED_ShowString(4,3,"ADC",16,0);
            OLED_ShowCHinese(0,3,3,0);//经
            OLED_ShowCHinese(16,3,5,0);//度
            OLED_ShowChar(32,3,':',16,0);
            OLED_ShowCHinese(112,3,6,0); // °

            OLED_ShowCHinese(0,6,4,0);//纬
            OLED_ShowCHinese(16,6,5,0);//度
            OLED_ShowChar(32,6,':',16,0);
            OLED_ShowCHinese(112,6,6,0); // °
     
    while(1){
                process_gps_data(); // 原始GPS数据
                print_parsed_gps_data(); // 解析GPS数据

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

• GPS 模块解析代码 gps_parser.c 和 gps_parser.h 详见： 【RA4M2-SENSOR】串口读取 GPS .
• OLED 驱动代码 oled.c 、oled.h、bmp.h 和 oledfont.h 详见：【RA2E1开发板】 - IIC 通信的 OLED 显示 .

汉字取模

• 下载 并运行 PC2LCD2018 软件 ；
• 菜单栏模式设置为 字符模式 ；
• 点击工具栏中的 设置 按钮，配置字模选项：列行式取模、低位在前等，设置完成后点击 确定 保存配置；

• 在文字输入选框输入目标汉字，点击 生成字模 ；
• 选中复制或保存字模，代码添加至 oledfont.h 文件。

保存代码，构建工程、调试工程。

效果演示

• 串口调试助手接收 GPS 原始数据和解析数据；

• 使用移动电源供电，实现便携式 GPS 定位器设计；
• OLED 显示实时卫星定位经纬度信息

将上述采集得到的经纬坐标 (121,31) 输入网址 经纬度定位 ，点击 查询 按钮，可获得对应的地理位置

定位结果与实际位置 (121.45,31.03) 较为接近。

动态效果见底部视频。

总结

本文介绍了 RA4M2-SENSOR 通过 IIC 协议实现 OLED 显示，并结合串口通信读取 GPS 模块数据，实现便携式卫星定位器的项目设计，为该产品的相关开发设计与快速应用提供了参考。