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第11章 Linux串口应用编程

参考资料：

  • Serial Programming Guide for POSIX Operating Systems：

https://digilander.libero.it/robang/rubrica/serial.htm

  • Linux串口编程：

https://www.cnblogs.com/feisky/archive/2010/05/21/1740893.html

  • Linux串口—struct termios结构体

https://blog.csdn.net/yemingzhu163/article/details/5897156

11.1 串口API​

图 11.1 Linux串口通信

在Linux系统中，操作设备的统一接口就是：open/ioctl/read/write。对于UART，又在ioctl之上封装了很多函数，主要是用来设置行规程。所以对于UART，编程的套路就是：

  • open；
  • 设置行规程，比如波特率、数据位、停止位、检验位、RAW模式、一有数据就返回；
  • read/write；

怎么设置行规程？行规程的参数用结构体termios来表示，可以参考Linux串口—struct termios结构体：

https://blog.csdn.net/yemingzhu163/article/details/5897156)

这些函数在名称上有一些惯例：

  • tc：terminal contorl
  • cf: control flag

下面列出一些函数：

表 11‑1 行规程函数

函数名作用
tcgetattrget terminal attributes，获得终端的属性
tcsetattrset terminal attributes，修改终端参数
tcflush清空终端未完成的输入/输出请求及数据
cfsetispeedsets the input baud rate，设置输入波特率
cfsetospeedsets the output baud rate，设置输出波特率
cfsetspeed同时设置输入、输出波特率

函数不多，主要是需要设置好termios中的参数，这些参数很复杂，可以参考Linux串口—struct termios结构体。

11.2 串口收发实验​

本实验通过把串口的发送、接收引脚短接，实现自发自收：使用write函数发出字符，使用read函数读取字符。

图 11.2 IMX6ULL扩展板串口硬件连接

11.2.1 上机实验​

          1. 设置工具链:vim ~/.bashrc
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
          1. 编译、执行程序
1. Ubuntu上
arm-buildroot-linux-gnueabihf-gcc -o serial_send_recv serial_send_recv.c
2. 板子上
/mnt/serial_send_recv  /dev/ttymxc5

11.2.2 GPS模块实验​

          1. 3.1 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. 3.2 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。

图 11.3 GPS模块

          1. 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。

图 11.4 NVMEA0183格式

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<CR><LF>

$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

表 11‑2 $XXGGA字段

字段含义取值范围
<1>UTC时间hhmmss.ss000000.00~235959.99
<2>纬度，格式：ddmm.mmmm000.00000~8959.9999
<3>南北半球N北纬 S南纬
<4>经度格式dddmm.mmmm00000.0000~17959.9999
<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
<l0>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。

11.2.3 编程​

参考例程：

01_all_series_quickstart\

04_嵌入式Linux应用开发基础知识\source\14_UART\02_gps\gps_read.c

11.2.4 接线​

图 11.5 GPS模块硬件连接

11.2.5 上机实验​

编译、执行程序，在Ubuntu上：

arm-buildroot-linux-gnueabihf-gcc -o gps_read gps_read.c
adb  push  gps_read  /root

在板子上：

/root/gps_read  /dev/ttymxc5

具体操作视频链接：https://www.bilibili.com/video/BV14f4y1Q7ti