一、实验概述

1.1 实验目的

  • 掌握Linux下串口设备的打开、配置、读写操作，理解串口阻塞/超时模式的应用

  • 学会读取GPS模块输出的NMEA-0183协议数据，解析经纬度、时间等核心信息

  • 解决GPS实验中常见的程序卡死、设备名错误、无信号等问题

  • 适配百问网IMX6ULL开发板，实现“无GPS信号也不卡死”的稳定运行

1.2 适用环境

  • 硬件：IMX6ULL开发板、GPS模块、杜邦线、串口调试工具

  • 软件：Ubuntu虚拟机（已配置arm-buildroot-linux-gnueabihf交叉编译工具链）

  • 开发板系统：百问网Buildroot系统（默认NFS共享目录：/home/book/nfs_rootfs）

1.3 实验核心功能

通过开发板UART5串口读取GPS模块数据，解析NMEA-0183协议中的GGA定位帧，提取时间、纬度、经度，并转换为标准十进制度数格式；添加超时机制，未接GPS、无信号时不卡死，且给出明确中文提示。

二、硬件准备与接线

2.1 硬件清单

  • IMX6ULL开发板（百问网）

  • GPS模块（支持NMEA-0183协议，默认波特率9600）

  • 杜邦线4根（供电2根、串口2根）

  • 串口调试工具（用于登录开发板）

2.2 关键接线规则（必严格遵守）

GPS模块与开发板UART5（实验专用串口）交叉连接，禁止接反；同时拔掉之前串口自发自收实验的短接线（否则GPS数据无法输入）。

GPS模块引脚

IMX6ULL开发板引脚

注意事项

VCC

3.3V

禁止接5V，否则烧毁GPS模块

GND

GND

必须共地，否则数据传输异常

TX（发送）

UART5_RXD（接收）

交叉连接，GPS发送→开发板接收

RX（接收）

UART5_TXD（发送）

交叉连接，开发板发送→GPS接收

2.3 禁止操作

  • 禁止使用UART0（/dev/ttymxc0）：该串口是开发板调试登录口，使用会导致系统卡死

  • 禁止GPS模块接5V供电：3.3V为GPS标准供电电压

  • 禁止TX接TX、RX接RX：必须交叉连接，否则无法接收数据

  • 禁止保留UART5的短接线：自发自收实验的短接线需拔掉，避免数据冲突

三、带超详细注释的完整代码

文件名：gps_read.c（核心优化：无GPS信号/未接模块不卡死，带中文提示）

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <errno.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <termios.h>
#include <stdlib.h>

// 串口配置函数：配置GPS模块默认参数（9600波特率、8数据位、无校验、1停止位）
// 参数说明：fd-串口文件描述符；nSpeed-波特率；nBits-数据位；nEvent-校验位；nStop-停止位
int set_opt(int fd,int nSpeed, int nBits, char nEvent, int nStop)
{
    struct termios newtio,oldtio;
    
    // 读取当前串口的原始配置，保存到oldtio，失败则打印错误信息
    if ( tcgetattr( fd,&oldtio) != 0) { 
        perror("SetupSerial 1"); // 打印串口配置读取失败原因
        return -1;
    }
    
    bzero( &newtio, sizeof( newtio ) ); // 清空新配置结构体，避免垃圾数据干扰
    newtio.c_cflag |= CLOCAL | CREAD;  // 启用本地模式（不接收调制解调器信号）、启用串口接收功能
    newtio.c_cflag &= ~CSIZE;          // 清空数据位配置，为后续设置做准备

    // 配置串口为原始模式：关闭规范模式、回显、回声消除、信号中断，实现纯数据传输
    newtio.c_lflag  &= ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG);
    newtio.c_oflag  &= ~OPOST;         // 关闭输出数据处理（不添加换行、回车等转换）

    // 配置数据位：支持7位或8位，GPS默认8位数据位
    switch( nBits )
    {
    case 7:
        newtio.c_cflag |= CS7; // 7位数据位
    break;
    case 8:
        newtio.c_cflag |= CS8; // 8位数据位（GPS默认，实验使用）
    break;
    }

    // 配置校验位：支持奇校验（O）、偶校验（E）、无校验（N），GPS默认无校验
    switch( nEvent )
    {
    case 'O': // 奇校验
        newtio.c_cflag |= PARENB;
        newtio.c_cflag |= PARODD;
        newtio.c_iflag |= (INPCK | ISTRIP);
    break;
    case 'E': // 偶校验
        newtio.c_iflag |= (INPCK | ISTRIP);
        newtio.c_cflag |= PARENB;
        newtio.c_cflag &= ~PARODD;
    break;
    case 'N': // 无校验（GPS默认，实验使用）
        newtio.c_cflag &= ~PARENB;
    break;
    }

    // 配置波特率：GPS模块默认9600，支持2400、4800、115200等常用波特率
    switch( nSpeed )
    {
    case 2400:
        cfsetispeed(&newtio, B2400);
        cfsetospeed(&newtio, B2400);
    break;
    case 4800:
        cfsetispeed(&newtio, B4800);
        cfsetospeed(&newtio, B4800);
    break;
    case 9600:
        cfsetispeed(&newtio, B9600); // 接收波特率（GPS→开发板）
        cfsetospeed(&newtio, B9600); // 发送波特率（开发板→GPS）
    break;
    case 115200:
        cfsetispeed(&newtio, B115200);
        cfsetospeed(&newtio, B115200);
    break;
    default: // 默认波特率9600
        cfsetispeed(&newtio, B9600);
        cfsetospeed(&newtio, B9600);
    break;
    }
    
    // 配置停止位：GPS默认1位停止位，支持1位或2位
    if( nStop == 1 )
        newtio.c_cflag &= ~CSTOPB;  // 1位停止位（GPS默认，实验使用）
    else if ( nStop == 2 )
        newtio.c_cflag |= CSTOPB;   // 2位停止位
    
    // ===================== 核心优化：解决程序卡死 =====================
    newtio.c_cc[VMIN]  = 0;    // 不强制等待数据（无数据也不阻塞）
    newtio.c_cc[VTIME] = 10;   // 超时时间：1秒（10×0.1秒，单位为1/10秒）
    // 说明：超时后read函数返回，程序不会无限卡死，而是给出提示
    // ==============================================================

    tcflush(fd,TCIFLUSH); // 清空串口接收缓冲区，避免残留数据干扰
    
    // 立即生效新的串口配置，失败则打印错误信息
    if((tcsetattr(fd,TCSANOW,&newtio))!=0)
    {
        perror("com set error");
        return -1;
    }
    return 0; // 配置成功，返回0
}

// 打开串口函数：打开指定串口设备，设置为阻塞模式（适配GPS数据读取）
// 参数：com-串口设备名（如/dev/ttymxc5）
int open_port(char *com)
{
    int fd;
    // 打开串口：读写模式（O_RDWR） + 不将串口作为控制终端（O_NOCTTY）
    fd = open(com, O_RDWR|O_NOCTTY);
    if (-1 == fd){ // 打开失败，返回-1
        return(-1);
    }
    
    // 设置串口为阻塞模式：read函数会等待数据，直到超时或读到数据
    if(fcntl(fd, F_SETFL, 0)<0)
    {
        printf("fcntl failed!\n");
        return -1;
    }
    return fd; // 打开成功，返回串口文件描述符（后续操作的唯一标识）
}

// 读取GPS原始数据函数：读取一帧完整的GPS数据（$开头，\n或\r结尾）
// 参数：fd-串口文件描述符；buf-存储GPS原始数据的缓冲区
// 返回值：0-读取成功；-2-未收到数据（超时）；-1-读取失败
int read_gps_raw_data(int fd, char *buf)
{
    int i = 0;
    int iRet;
    char c;
    int start = 0; // 数据开始标志：检测到$时，开始接收数据
    
    while (1)
    {
        iRet = read(fd, &c, 1); // 逐字节读取串口数据
        // 超时或无数据（iRet≤0），返回-2，提示未收到GPS数据
        if (iRet <= 0)
        {
            return -2;
        }
        // 读到数据（iRet==1），开始处理
        if (iRet == 1)
        {
            if (c == '$') // 检测到GPS数据帧开头（$是NMEA协议帧的起始标志）
                start = 1;
            if (start) // 开始接收数据后，将字节存入缓冲区
            {
                buf[i++] = c;
            }
            // 检测到数据帧结尾（\n或\r），说明一帧数据接收完成
            if (c == '\n' || c == '\r')
            {
                buf[i] = '\0'; // 添加字符串结束符，避免乱码
                return 0;      // 读取成功，返回0
            }
        }
    }
}

// 解析GPS原始数据函数：解析NMEA协议中的GGA帧，提取时间、纬度、经度等信息
// 参数：buf-原始GPS数据；time-存储时间；lat-存储纬度；ns-存储南北纬；lng-存储经度；ew-存储东西经
// 返回值：0-解析成功；-1-解析失败（非GGA帧/无定位信号）
int parse_gps_raw_data(char *buf, char *time, char *lat, char *ns, char *lng, char *ew)
{
    char tmp[10]; // 临时缓存，用于拆分数据
    
    if (buf[0] != '$') // 不是GPS数据帧（GPS帧以$开头）
        return -1;
    else if (strncmp(buf+3, "GGA", 3) != 0) // 不是GGA定位帧（GGA是核心定位帧）
        return -1;
    else if (strstr(buf, ",,,,,")) // 检测到无定位信号（数据字段为空）
    {
        printf("⚠️  GPS无定位信号，请放到室外空旷处！\n");
        return -1;
    }
    else {
        // 拆分GGA帧数据：格式为$GPGGA,时间,纬度,南北纬,经度,东西经,...
        sscanf(buf, "%[^,],%[^,],%[^,],%[^,],%[^,],%[^,]", tmp, time, lat, ns, lng, ew);
        return 0; // 解析成功，返回0
    }
}

// 主函数：程序入口，实现串口打开、配置、GPS数据读取+解析+打印
// 运行格式：./gps_read <串口设备名>（如./gps_read /dev/ttymxc5）
int main(int argc, char **argv)
{
    int fd;                     // 串口文件描述符
    int iRet;                   // 函数返回值，用于判断操作是否成功
    char buf[1000];             // 存储GPS原始数据的缓冲区（足够容纳一帧数据）
    char time[100];             // 存储解析后的时间（格式：HHMMSS.00）
    char Lat[100], ns[100];     // 存储纬度（格式：ddmm.mmmm）和南北纬（N/S）
    char Lng[100], ew[100];     // 存储经度（格式：dddmm.mmmm）和东西经（E/W）
    float fLat, fLng;           // 存储转换后的标准十进制度数（便于后续使用）

    // 1. 参数校验：必须传入1个串口设备名参数，否则提示用法
    if (argc != 2)
    {
        printf("用法: ./gps_read /dev/ttymxc5\n");
        return -1;
    }

    // 2. 打开串口设备（传入用户指定的串口名，如/dev/ttymxc5）
    fd = open_port(argv[1]);
    if (fd < 0)
    {
        printf("打开串口失败: %s\n", argv[1]);
        return -1;
    }

    // 3. 配置串口：GPS固定参数（9600波特率、8数据位、无校验、1停止位）
    iRet = set_opt(fd, 9600, 8, 'N', 1);
    if (iRet)
    {
        printf("串口配置失败!\n");
        return -1;
    }

    // 提示用户程序已正常运行，等待GPS数据
    printf("✅ GPS读取程序运行中，等待数据...\n");
    printf("========================================\n");

    // 4. 循环读取+解析GPS数据（无限循环，按Ctrl+C退出）
    while (1)
    {
        // 读取一帧GPS原始数据
        iRet = read_gps_raw_data(fd, buf);
        
        // ============== 未收到GPS数据（超时）处理 ==============
        if (iRet == -2)
        {
            printf("⌛ 未收到GPS数据，请检查：\n");
            printf("   1. GPS模块是否正确接线（TX→UART5_RXD）\n");
            printf("   2. GPS模块是否正常供电（3.3V）\n");
            printf("   3. 是否拔掉UART5的自发自收短接线\n");
            sleep(1); // 每隔1秒提示一次，避免刷屏
            continue;
        }
        
        // 解析GPS原始数据（iRet==0表示读取到数据，开始解析）
        if (iRet == 0)
        {
            iRet = parse_gps_raw_data(buf, time, Lat, ns, Lng, ew);
        }
        
        // 解析成功（iRet==0），打印解析结果和标准经纬度
        if (iRet == 0)
        {
            printf("📡 原始数据: %s\n", buf);
            printf("⏰ 时间    : %s\n", time);
            printf("🌍 纬度    : %s %s\n", Lat, ns);
            printf("🌍 经度    : %s %s\n", Lng, ew);
            
            // 纬度格式转换：ddmm.mmmm → 标准十进制度数（如4005.1234 → 40.0854）
            sscanf(Lat+2, "%f", &fLat); // 提取mm.mmmm部分
            fLat = fLat / 60;           // 分转换为度
            fLat += (Lat[0] - '0')*10 + (Lat[1] - '0'); // 加上度的部分

            // 经度格式转换：dddmm.mmmm → 标准十进制度数（如11632.5678 → 116.5428）
            sscanf(Lng+3, "%f", &fLng); // 提取mm.mmmm部分
            fLng = fLng / 60;           // 分转换为度
            fLng += (Lng[0] - '0')*100 + (Lng[1] - '0')*10 + (Lng[2] - '0'); // 加上度的部分
            printf("📍 标准经纬度: %.6f , %.6f\n\n", fLng, fLat); // 保留6位小数，精度足够
        }
    }

    close(fd); // 关闭串口（循环中不会执行，按Ctrl+C退出）
    return 0;
}

3.1 串口自发自收测试代码（验证串口硬件）

文件名：serial_send_recv.c（核心功能：验证开发板串口是否完好，用于排查GPS无数据问题，需短接串口TX/RX）

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <errno.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <termios.h>
#include <stdlib.h>

// 串口配置函数：与GPS程序参数一致（9600波特率、8N1），通用可复用
int set_opt(int fd,int nSpeed, int nBits, char nEvent, int nStop)
{
    struct termios newtio,oldtio;
    
    // 读取当前串口配置，失败返回-1
    if ( tcgetattr( fd,&oldtio) != 0) { 
        perror("SetupSerial 1");
        return -1;
    }
    
    bzero( &newtio, sizeof( newtio ) );
    newtio.c_cflag |= CLOCAL | CREAD;  // 启用本地模式和接收功能
    newtio.c_cflag &= ~CSIZE;          // 清空数据位配置

    // 原始模式，纯数据传输，无回显、无信号中断
    newtio.c_lflag  &= ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG);
    newtio.c_oflag  &= ~OPOST;

    // 数据位：8位（与GPS一致）
    switch( nBits )
    {
    case 7:
        newtio.c_cflag |= CS7;
    break;
    case 8:
        newtio.c_cflag |= CS8;
    break;
    }

    // 校验位：无校验（与GPS一致）
    switch( nEvent )
    {
    case 'O':
        newtio.c_cflag |= PARENB;
        newtio.c_cflag |= PARODD;
        newtio.c_iflag |= (INPCK | ISTRIP);
    break;
    case 'E': 
        newtio.c_iflag |= (INPCK | ISTRIP);
        newtio.c_cflag |= PARENB;
        newtio.c_cflag &= ~PARODD;
    break;
    case 'N': 
        newtio.c_cflag &= ~PARENB;
    break;
    }

    // 波特率：9600（与GPS一致）
    switch( nSpeed )
    {
    case 2400:
        cfsetispeed(&newtio, B2400);
        cfsetospeed(&newtio, B2400);
    break;
    case 4800:
        cfsetispeed(&newtio, B4800);
        cfsetospeed(&newtio, B4800);
    break;
    case 9600:
        cfsetispeed(&newtio, B9600);
        cfsetospeed(&newtio, B9600);
    break;
    case 115200:
        cfsetispeed(&newtio, B115200);
        cfsetospeed(&newtio, B115200);
    break;
    default:
        cfsetispeed(&newtio, B9600);
        cfsetospeed(&newtio, B9600);
    break;
    }
    
    // 停止位：1位（与GPS一致）
    if( nStop == 1 )
        newtio.c_cflag &= ~CSTOPB;
    else if ( nStop == 2 )
        newtio.c_cflag |= CSTOPB;
    
    // 阻塞读取，适配自发自收测试
    newtio.c_cc[VMIN]  = 1;
    newtio.c_cc[VTIME] = 0;

    tcflush(fd,TCIFLUSH);
    
    // 生效配置
    if((tcsetattr(fd,TCSANOW,&newtio))!=0)
    {
        perror("com set error");
        return -1;
    }
    return 0;
}

// 打开串口函数：与GPS程序完全一致，通用
int open_port(char *com)
{
    int fd;
    fd = open(com, O_RDWR|O_NOCTTY);
    if (-1 == fd){
        return(-1);
    }
    
    if(fcntl(fd, F_SETFL, 0)<0)
    {
        printf("fcntl failed!\n");
        return -1;
    }
    return fd;
}

// 主函数：自发自收测试，短接串口TX/RX后，输入字符会自动接收并打印
int main(int argc, char **argv)
{
    int fd;
    int iRet;
    char buf[100];
    int len;

    // 参数校验：必须传入串口设备名
    if (argc != 2)
    {
        printf("用法: ./serial_send_recv <串口设备名>（如./serial_send_recv /dev/ttymxc5）\n");
        return -1;
    }

    // 打开串口
    fd = open_port(argv[1]);
    if (fd < 0)
    {
        printf("打开串口失败: %s\n", argv[1]);
        return -1;
    }

    // 配置串口（9600 8N1，与GPS一致）
    iRet = set_opt(fd, 9600, 8, 'N', 1);
    if (iRet)
    {
        printf("串口配置失败!\n");
        return -1;
    }

    printf("✅ 串口自发自收测试程序运行中\n");
    printf("📌 说明：需短接串口TX和RX，输入任意字符，会自动接收并打印\n");
    printf("📌 退出：按Ctrl+C终止程序\n");
    printf("========================================\n");

    // 循环：读取输入的字符，再通过串口发送，然后接收并打印
    while (1)
    {
        memset(buf, 0, sizeof(buf));
        // 读取用户输入的字符
        len = read(STDIN_FILENO, buf, sizeof(buf)-1);
        if (len <= 0)
        {
            perror("read stdin error");
            continue;
        }

        // 将输入的字符通过串口发送
        iRet = write(fd, buf, len);
        if (iRet <= 0)
        {
            perror("write serial error");
            continue;
        }

        // 读取串口接收的数据（自发自收，发送的数据会被自身接收）
        memset(buf, 0, sizeof(buf));
        iRet = read(fd, buf, sizeof(buf)-1);
        if (iRet <= 0)
        {
            perror("read serial error");
            continue;
        }

        // 打印接收的数据
        printf("📥 串口接收数据：%s", buf);
    }

    close(fd);
    return 0;
}

四、编译与运行步骤（新手零失败）

4.1 Ubuntu端（交叉编译）

操作环境：远程连接的Ubuntu虚拟机，代码目录为 ~/Desktop/study/14_UART/01_app_send_recv

  1. 进入代码目录（复制命令直接执行）： cd ~/Desktop/study/14_UART/01_app_send_recv

  2. 创建代码文件并粘贴上述完整代码： vim gps_read.c打开vim后，按i进入编辑模式，粘贴代码，按Esc，输入:wq保存退出。

  3. 交叉编译（生成开发板可执行文件）： arm-buildroot-linux-gnueabihf-gcc -o gps_read gps_read.c编译成功后，目录下会生成 gps_read 可执行文件。

  4. 将可执行文件复制到NFS共享目录（开发板可直接访问）： cp gps_read /home/book/nfs_rootfs/

4.2 开发板端（运行程序）

操作环境：串口登录的IMX6ULL开发板（root账号），NFS共享目录为 /home/book/nfs_rootfs

  1. 进入NFS共享目录： cd /home/book/nfs_rootfs

  2. 验证程序是否存在（确保复制成功）： ls输出中包含 gps_read 即成功。

  3. 运行GPS读取程序（核心命令，必须使用正确串口）： ./gps_read /dev/ttymxc5

  4. 退出程序：按 Ctrl+C 即可终止程序运行。

五、常见问题与报错排查（新手必看）

5.1 报错1：open /dev/ttyms5 err!

  • 错误原因：串口设备名拼写错误，将 /dev/ttymxc5 误写为 /dev/ttyms5（把c写成了s）。

  • 解决方法：运行命令时使用正确设备名 /dev/ttymxc5，命令：./gps_read /dev/ttymxc5。

5.2 问题2：程序运行后卡住不动，无任何输出

  • 错误原因：未使用优化后的代码，原代码为阻塞模式（VMIN=1，VTIME=0），无数据时无限等待，看起来卡死。

  • 解决方法：使用本文提供的优化代码（VMIN=0，VTIME=10），重新编译运行，程序会超时提示，不再卡死。

5.3 问题3：打印内核日志：alloc_contig_range: [8c0a0, 8c0b4) PFNs busy

  • 错误原因：这是IMX6ULL开发板的内核内存分配警告，属于系统正常日志，与程序、GPS无关。

  • 解决方法：直接忽略，不影响程序运行和GPS数据读取。

5.4 问题4：提示“未收到GPS数据，请检查...”

  • 错误原因（按优先级排查）：

    • UART5的自发自收短接线未拔掉，导致GPS数据无法输入；

    • GPS模块接线错误（TX未接UART5_RXD、RX未接UART5_TXD）；

    • GPS模块未供电或供电异常（未接3.3V）；

    • GPS模块损坏。

  • 解决方法：按提示检查接线、供电，拔掉短接线，重新连接后重试。

5.5 问题5：提示“GPS无定位信号，请放到室外空旷处！”

  • 错误原因：GPS模块已正常发送数据，但处于室内/遮挡环境，未搜索到卫星，无法定位。

  • 解决方法：将GPS模块放到室外空旷处，等待1~3分钟搜星，定位成功后会自动打印经纬度。

5.6 问题6：程序打印乱码

  • 错误原因：串口波特率配置与GPS模块不一致（GPS默认9600，代码已配置，若修改会导致乱码）。

  • 解决方法：确保代码中 set_opt 函数的波特率参数为9600，不修改该参数。

六、运行现象说明（3种常见场景）

6.1 场景1：未接GPS模块 / 接线错误 / 未拔短接线

✅ GPS读取程序运行中，等待数据... ======================================== ⌛ 未收到GPS数据，请检查： 1. GPS模块是否正确接线（TX→UART5_RXD） 2. GPS模块是否正常供电（3.3V） 3. 是否拔掉UART5的自发自收短接线

说明：程序正常运行，未收到GPS数据，按提示检查硬件即可。

6.2 场景2：GPS模块已接好，但在室内/无卫星信号

✅ GPS读取程序运行中，等待数据... ======================================== ⚠️ GPS无定位信号，请放到室外空旷处！

说明：已收到GPS数据，但未定位成功，将GPS放到室外即可。

6.3 场景3：GPS接好、室外有信号（运行成功）

✅ GPS读取程序运行中，等待数据... ======================================== 📡 原始数据: $GPGGA,125643.00,4002.12345,N,11630.56789,E,1,05,2.8,50.0,M,,,*70 ⏰ 时间 : 125643.00 🌍 纬度 : 4002.12345 N 🌍 经度 : 11630.56789 E 📍 标准经纬度: 116.509465 , 40.035391

说明：GPS定位成功，程序正常读取并解析数据，实验完成。

七、核心知识点总结（新手必记）

  • GPS协议：采用NMEA-0183协议，核心定位帧为GGA帧，以$开头、\n/r结尾。

  • 串口参数：GPS模块默认9600波特率、8N1（8数据位、无校验、1停止位），不可随意修改。

  • 阻塞/超时模式：通过 VMIN 和 VTIME 配置，本文优化后避免程序卡死。

  • 经纬度转换：GPS输出格式为ddmm.mmmm（纬度）、dddmm.mmmm（经度），需转换为标准十进制度数。

  • 关键注意点：串口交叉连接、拔掉短接线、GPS室外搜星、3.3V供电，这四点是实验成功的核心。

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