GPS NMEA 0183 4.10协议/GPS Linux串口驱动

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。现在已经成为GPS导航设备统一的RTCM（Radio Technical Commission for Maritime services）标准协议。

下图为GYM-1010-B 北斗导航模块，同时支持北斗二代 B1、GPS L1 信号，支持协议 NMEA 0183 4.10 版本，默认波特率9600bps，数据位8bit，无校验位，停止位1bit；默认输出频率1HZ

基本上接上天线，供电引脚电压正常的话，就可以通过串口读取GPS数据了（GPS芯片会源源不断的输出数据）。所以GPS编程最主要的是解析数据，要解析数据就得了解协议格式。北斗导航模块输出 6 条 NAME 协议，分别为 GPGGA、GPGLL、GPGSA、GPGSV、GPRMC 和 GPVTG 等 6 条协议。

一、下面详细学习这六种不同的输出协议的数据格式。

(1) $GPGGA （GPS定位信息）

协议格式：

 
 $GNGGA,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>,<13>,<14>*hh<CR><LF>  

样例数据：

 
 $GPGGA,161229.487,3723.2475,N,12158.3416,W,1,07,1.0,9.0,M, , ,,0000*18  

协议格式详细分析：

(2) $GPGLL （地理定位信息）

协议格式：

 
 $GPGLL,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>*hh<CR><LF>  

样例数据：

 
 $GPGLL,3723.2475,N,12158.3416,W,161229.487,A*2C  

协议格式详细分析：

(3) $GPGSA （当前卫星信息）

协议格式：

 
 $GPGSA,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>,<13>,<14>,<15>,<16>,<17>*hh<CR><LF>  

样例数据：

 
 $GPGSA,A,3,07,02,26,27,09,04,15, , , , , ,1.8,1.0,1.5*33  

协议格式详细分析：

(4) $GPGSV（可见卫星信息）

协议格式：

 
 $GPGSV, <1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,...,<4>,<5>,<6>,<7>*hh<CR><LF>  

样例数据：

 
 $GPGSV,2,1,07,07,79,048,42,02,51,062,43,26,36,256,42,27,27,138,42*71  
 $GPGSV,2,2,07,09,23,313,42,04,19,159,41,15,12,041,42*41  

需要注意的是这里的样例数据有2条，这是因为当前可见卫星一共有7个，但是每条语句最多包括四颗卫星的信息，所以分成了2条语句。每颗卫星的信息有四个数据项，即：<4>（卫星编号）、<5>（卫星仰角）、<6>（卫星方位角）、<7>（信噪比）。

协议格式详细分析（只分析第1条样例数据语句）：

(5) $GPRMC（最简定位信息）

协议格式：

 
 $GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>*hh<CR><LF>  

样例数据：

 
 $GPRMC,161229.487,A,3723.2475,N,12158.3416,W,0.13,309.62,120598,,*10  

协议格式详细分析：

(6) $GPVTG（地面速度信息）

协议格式：

 
 $GPVTG,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>*hh<CR><LF>  

样例数据：

 
 $GPVTG,309.62,T, ,M,0.13,N,0.2,K*6E  

协议格式详细分析：

有了上面对NMEA0183协议的详细学习，剩下的就是串口编程了。无论是通过单片机，还是Windows/WinCE/Linux系统，编写串口程序把这些数据读取到都是比较容易的，剩下就是通过c++那些查找算法函数，或者MFC CString字符串的相关函数进行解析就OK了。

二、Linux串口驱动分析设计

A、核心数据结构
串口驱动有3个核心数据结构，它们都定义在<#include linux/serial_core.h>
1、uart_driver
uart_driver包含了串口设备名、串口驱动名、主次设备号、串口控制台(可选)等信息，还封装了tty_driver(底层串口驱动无需关心tty_driver)。

2、uart_port

uart_port用于描述串口端口的I/O端口或I/O内存地址、FIFO大小、端口类型、串口时钟等信息。实际上，一个uart_port实例对应一个串口设备.

struct uart_port {

spinlock_t lock; /* 串口端口锁 */

unsigned int iobase; /* IO端口基地址 */

unsigned char __iomem *membase; /* IO内存基地址,经映射(如ioremap)后的IO内存虚拟基地址 */

unsigned int irq; /* 中断号 */

unsigned int uartclk; /* 串口时钟 */

unsigned int fifosize; /* 串口FIFO缓冲大小 */

unsigned char x_char; /* xon/xoff字符 */

unsigned char regshift; /* 寄存器位移 */

unsigned char iotype; /* IO访问方式 */

unsigned char unused1;

#define UPIO_PORT (0) /* IO端口 */

#define UPIO_HUB6 (1)

#define UPIO_MEM (2) /* IO内存 */

#define UPIO_MEM32 (3)

#define UPIO_AU (4) /* Au1x00 type IO */

#define UPIO_TSI (5) /* Tsi108/109 type IO */

#define UPIO_DWAPB (6) /* DesignWare APB UART */

#define UPIO_RM9000 (7) /* RM9000 type IO */

unsigned int read_status_mask; /* 关心的Rx error status */

unsigned int ignore_status_mask;/* 忽略的Rx error status */

struct uart_info *info; /* pointer to parent info */

struct uart_icount icount; /* 计数器 */

struct console *cons; /* console结构体 */

#ifdef CONFIG_SERIAL_CORE_CONSOLE

unsigned long sysrq; /* sysrq timeout */

#endif

upf_t flags;

#define UPF_FOURPORT ((__force upf_t) (1 << 1))

#define UPF_SAK ((__force upf_t) (1 << 2))

#define UPF_SPD_MASK ((__force upf_t) (0x1030))

#define UPF_SPD_HI ((__force upf_t) (0x0010))

#define UPF_SPD_VHI ((__force upf_t) (0x0020))

#define UPF_SPD_CUST ((__force upf_t) (0x0030))

#define UPF_SPD_SHI ((__force upf_t) (0x1000))

#define UPF_SPD_WARP ((__force upf_t) (0x1010))

#define UPF_SKIP_TEST ((__force upf_t) (1 << 6))

#define UPF_AUTO_IRQ ((__force upf_t) (1 << 7))

#define UPF_HARDPPS_CD ((__force upf_t) (1 << 11))

#define UPF_LOW_LATENCY ((__force upf_t) (1 << 13))

#define UPF_BUGGY_UART ((__force upf_t) (1 << 14))

#define UPF_MAGIC_MULTIPLIER ((__force upf_t) (1 << 16))

#define UPF_CONS_FLOW ((__force upf_t) (1 << 23))

#define UPF_SHARE_IRQ ((__force upf_t) (1 << 24))

#define UPF_BOOT_AUTOCONF ((__force upf_t) (1 << 28))

#define UPF_FIXED_PORT ((__force upf_t) (1 << 29))

#define UPF_DEAD ((__force upf_t) (1 << 30))

#define UPF_IOREMAP ((__force upf_t) (1 << 31))

#define UPF_CHANGE_MASK ((__force upf_t) (0x17fff))

#define UPF_USR_MASK ((__force upf_t) (UPF_SPD_MASK|UPF_LOW_LATENCY))

unsigned int mctrl; /* 当前的moden设置 */

unsigned int timeout; /* character-based timeout */

unsigned int type; /* 端口类型 */

const struct uart_ops *ops; /* 串口端口操作函数集 */

unsigned int custom_divisor;

unsigned int line; /* 端口索引 */

resource_size_t mapbase; /* IO内存物理基地址，可用于ioremap */

struct device *dev; /* 父设备 */

unsigned char hub6; /* this should be in the 8250 driver */

unsigned char suspended;

unsigned char unused[2];

void *private_data; /* 端口私有数据,一般为platform数据指针 */

};

uart_iconut为串口信息计数器，包含了发送字符计数、接收字符计数等。在串口的发送中断处理函数和接收中断处理函数中，我们需要管理这些计数。

struct uart_icount {
    __u32    cts;
    __u32    dsr;
    __u32    rng;
    __u32    dcd;
    __u32    rx;      /* 发送字符计数 */
    __u32    tx;      /* 接受字符计数 */
    __u32    frame;   /* 帧错误计数 */
    __u32    overrun; /* Rx FIFO溢出计数 */
    __u32    parity;  /* 帧校验错误计数 */
    __u32    brk;     /* break计数 */
    __u32    buf_overrun;
};

uart_info有两个成员在底层串口驱动会用到：xmit和tty。用户空间程序通过串口发送数据时，上层驱动将用户数据保存在xmit；而串口发送中断处理函数就是通过xmit获取到用户数据并将它们发送出去。串口接收中断处理函数需要通过tty将接收到的数据传递给行规则层。

/* uart_info实例仅在串口端口打开时有效，它可能在串口关闭时被串口核心层释放。因此，在使用uart_port的uart_info成员时必须保证串口已打开。底层驱动和核心层驱动都可以修改uart_info实例。
* This is the state information which is only valid when the port
* is open; it may be freed by the core driver once the device has
* been closed. Either the low level driver or the core can modify
* stuff here.
*/
struct uart_info {
    struct tty_struct     *tty;
    struct circ_buf        xmit;
    uif_t                  flags;

/*
* Definitions for info->flags. These are _private_ to serial_core, and
* are specific to this structure. They may be queried by low level drivers.
*/
#define UIF_CHECK_CD        ((__force uif_t) (1 << 25))
#define UIF_CTS_FLOW        ((__force uif_t) (1 << 26))
#define UIF_NORMAL_ACTIVE    ((__force uif_t) (1 << 29))
#define UIF_INITIALIZED        ((__force uif_t) (1 << 31))
#define UIF_SUSPENDED        ((__force uif_t) (1 << 30))

    int                     blocked_open;

    struct tasklet_struct   tlet;

    wait_queue_head_t       open_wait;
    wait_queue_head_t       delta_msr_wait;
};

3、uart_ops

uart_ops涵盖了串口驱动可对串口设备进行的所有操作。

* This structure describes all the operations that can be

* done on the physical hardware.

struct uart_ops {

unsigned int (*tx_empty)(struct uart_port *); /* 串口的Tx FIFO缓存是否为空 */

void (*set_mctrl)(struct uart_port *, unsigned int mctrl); /* 设置串口modem控制 */

unsigned int (*get_mctrl)(struct uart_port *); /* 获取串口modem控制 */

void (*stop_tx)(struct uart_port *); /* 禁止串口发送数据 */

void (*start_tx)(struct uart_port *); /* 使能串口发送数据 */

void (*send_xchar)(struct uart_port *, char ch);/* 发送xChar */

void (*stop_rx)(struct uart_port *); /* 禁止串口接收数据 */

void (*enable_ms)(struct uart_port *); /* 使能modem的状态信号 */

void (*break_ctl)(struct uart_port *, int ctl); /* 设置break信号 */

int (*startup)(struct uart_port *); /* 启动串口,应用程序打开串口设备文件时,该函数会被调用 */

void (*shutdown)(struct uart_port *); /* 关闭串口,应用程序关闭串口设备文件时,该函数会被调用 */

void (*set_termios)(struct uart_port *, struct ktermios *new, struct ktermios*old); /* 设置串口参数 */

void (*pm)(struct uart_port *, unsigned int state,

unsigned int oldstate); /* 串口电源管理 */

int (*set_wake)(struct uart_port *, unsigned int state); /* */

const char *(*type)(struct uart_port *); /* 返回一描述串口类型的字符串 */

void (*release_port)(struct uart_port *); /* 释放串口已申请的IO端口/IO内存资源,必要时还需iounmap */

int (*request_port)(struct uart_port *); /* 申请必要的IO端口/IO内存资源,必要时还可以重新映射串口端口 */

void (*config_port)(struct uart_port *, int); /* 执行串口所需的自动配置 */

int (*verify_port)(struct uart_port *, struct serial_struct *); /* 核实新串口的信息 */

int (*ioctl)(struct uart_port *, unsigned int, unsigned long); /* IO控制 */

};

B、串口驱动API

1、uart_register_driver
/* 功能： uart_register_driver用于将串口驱动uart_driver注册到内核(串口核心层)中，通常在模块初始化函数调用该函数。

* 参数 drv：要注册的uart_driver

* 返回值：成功，返回0；否则返回错误码

int uart_register_driver(struct uart_driver *drv);

2、uart_unregister_driver
/* 功能： uart_unregister_driver用于注销我们已注册的uart_driver，通常在模块卸载函数调用该函数

* 参数 drv：要注销的uart_driver

* 返回值：成功，返回0；否则返回错误码

void uart_unregister_driver(struct uart_driver *drv);

3、uart_add_one_port
/* 功能： uart_add_one_port用于为串口驱动添加一个串口端口，通常在探测到设备后(驱动的设备probe方法)调用该函数

* 参数 drv：串口驱动

* port:要添加的串口端口

* 返回值：成功，返回0；否则返回错误码

int uart_add_one_port(struct uart_driver *drv, struct uart_port *port);

4、uart_remove_one_port
/* 功能： uart_remove_one_port用于删除一个已添加到串口驱动中的串口端口，通常在驱动卸载时调用该函数

* 参数 drv：串口驱动

* port: 要删除的串口端口

* 返回值：成功，返回0；否则返回错误码

int uart_remove_one_port(struct uart_driver *drv, struct uart_port *port);

5、uart_write_wakeup
/* 功能： uart_write_wakeup唤醒上层因向串口端口写数据而阻塞的进程，通常在串口发送中断处理函数中调用该函数

* 参数 port：需要唤醒写阻塞进程的串口端口

void uart_write_wakeup(struct uart_port *port);

6、uart_suspend_port
/* 功能： uart_suspend_port用于挂起特定的串口端口

* 参数 drv：要挂起的串口端口所属的串口驱动

* port：要挂起的串口端口

* 返回值：成功返回0；否则返回错误码

int uart_suspend_port(struct uart_driver *drv, struct uart_port *port);

7、uart_resume_port
/* 功能： uart_resume_port用于恢复某一已挂起的串口

* 参数 drv：要恢复的串口端口所属的串口驱动

* port：要恢复的串口端口

* 返回值：成功返回0；否则返回错误码

int uart_resume_port(struct uart_driver *drv, struct uart_port *port)

8、uart_get_baud_rate
/* 功能： uart_get_baud_rate通过解码termios结构体来获取指定串口的波特率

* 参数 port：要获取波特率的串口端口

* termios：当前期望的termios配置(包含串口波特率)

* old：以前的termios配置，可以为NULL

* min：可接受的最小波特率

* max：可接受的最大波特率

* 返回值：串口的波特率

unsigned int

uart_get_baud_rate(struct uart_port *port, struct ktermios *termios,

struct ktermios *old, unsigned int min, unsigned int max);

9、uart_get_divisor
/* 功能： uart_get_divisor用于计算某一波特率的串口时钟分频数（串口波特率除数）

* 参数 port：要计算时钟分频数的串口端口

* baud：期望的波特率

*返回值：串口时钟分频数

unsigned int uart_get_divisor(struct uart_port *port, unsigned int baud);

10、uart_update_timeout
/* 功能： uart_update_timeout用于更新（设置）串口FIFO超时时间

* 参数 port：要更新超时时间的串口端口

* cflag：termios结构体的cflag值

* baud：串口的波特率

void uart_update_timeout(struct uart_port *port, unsigned int cflag, unsigned int baud);

11、uart_match_port
/* 功能：uart_match_port用于判断两串口端口是否为同一端口

* 参数 port1、port2：要判断的串口端口

* 返回值：不同返回0；否则返回非0

int uart_match_port(struct uart_port *port1, struct uart_port *port2);

12、uart_console_write
/* 功能： uart_console_write用于向串口端口写一控制台信息

* 参数 port: 要写信息的串口端口

* s: 要写的信息

* count: 信息的大小

* putchar: 用于向串口端口写字符的函数，该函数函数有两个参数：串口端口和要写的字符

void uart_console_write(struct uart_port *port, const char *s,

unsigned int count,

void (*putchar)(struct uart_port *, int))

三、针对 GYM-1010-B 串口的编写

该串口驱动例子是我针对海思 Hi3516 处理器的串口2(uart2)独立开发的。该驱动将串口看作平台(platform)设备。platform可以看作一伪总线，用于将集成于片上系统的轻量级设备与Linux设备驱动模型联系到一起，它包含以下两部分（有关platform的声明都在#include <linux/platform_device.h>,具体实现在drivers/base/platform.c）：

1、platform设备。我们需要为每个设备定义一个platform_device实例

struct platform_device {

const char *name; /* 设备名 */

int id; /* 设备的id号 */

struct device dev; /* 其对应的device */

u32 num_resources;/* 该设备用有的资源数 */

struct resource *resource; /* 资源数组 */

};

为我们的设备创建platform_device实例有两种方法：填充一个platform_device结构体后用platform_device_register(一次注册一个)或platform_add_devices（一次可以注册多个platform设备）将platform_device注册到内核；更简单的是使用platform_device_register_simple来建立并注册我们的platform_device。

2、platform驱动。platform设备由platform驱动进行管理。当设备加入到系统中时，platform_driver的probe方法会被调用来见对应的设备添加或者注册到内核；当设备从系统中移除时，platform_driver的remove方法会被调用来做一些清理工作，如移除该设备的一些实例、注销一些已注册到系统中去的东西。

struct platform_driver {

int (*probe)(struct platform_device *);

int (*remove)(struct platform_device *);

void (*shutdown)(struct platform_device *);

int (*suspend)(struct platform_device *, pm_message_t state);

int (*suspend_late)(struct platform_device *, pm_message_t state);

int (*resume_early)(struct platform_device *);

int (*resume)(struct platform_device *);

struct device_driver driver;

};

更详细platform资料可参考其他资料，略。。。。。。。。。。

下面是串口驱动例子和其GPS测试程序源码 .....