GPS nmealib学习笔记

2023-10-29

0.nmealib简介

nmealib是一个基于C语言的用于nmea协议的开源库。虽然nmea体积小巧，但是却具备了不少功能。

分析NMEA语句并把结果保存在合适的C语言结构体中。

除了解析NMEA语句之外，还可以产生NMEA语句。

支持多种NMEA语句，包括GPGGA, GPGSA, GPGSV, GPRMC, GPVTG。

解析算法层次严谨。

附加地理学相关功能，可支持导航等数据工作。

更多介绍请参考以下链接

1.目录介绍

nmealib的目录还是非常清晰的，下面简单介绍一下。

include\nmealib文件夹中存在nmealib相关的头文件

src文件夹存放nmealib相关源文件，该文件夹中的内容和include\nmealib文件夹相对应

samples文件夹存放若干例子，一些简单易懂的例子。

2.示例代码

#include <nmea/nmea.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>

int main()
{
    // 被测试的GPS模块输出数据，仅有GPRMC格式
    char gps_str[] = "$GPRMC,013257.00,A,3129.51829,N,12022.10562,E,0.093,,270813,,,A*7A\r\n";

    nmeaINFO info;                  // nmea协议解析结果结构体
    nmeaPARSER parser;              // nmea协议解析载体

    nmea_zero_INFO(&info);          // 填入默认的解析结果
    nmea_parser_init(&parser);      // 为解析载体分配内存空间

    // 调用函数完成GPS信息解析，最终结果保留于info数组中
    if( (nmea_parse(&parser, gps_str, (int)strlen(gps_str), &info)) > 0 )
    {
        printf("longitude   %.5f\r\n",info.lon);
        printf("latitude    %.5f\r\n",info.lat);
        printf("speed       %.2f\r\n",info.speed);
    }

    nmea_parser_destroy(&parser);   // 释放解析载体的内存空间

    return 0;
}

图1 程序输出结果

利用nmealib解析GPS模块的输出结果大致可以分为三步，第一步定义和初始化GPS信息结构体和解析载体结构体，第二步调用nmea_parse函数完成解析工作，第三步释放解析载体所占用的内存空间。如果仔细查看nmea_parser_init部分的代码，便会发现函数中使用了C标准库的malloc函数，该函数会在RAM中的heap空间开辟一个空间，这就需要使用完该载体之后立刻释放，所以nmea_parser_init和nmea_parser_destroy需要成对出现。

typedef struct _nmeaINFO
{
    int     smask;      /**< Mask specifying types of packages from which data have been obtained */

    nmeaTIME utc;       /**< UTC of position */

    int     sig;        /**< GPS quality indicator (0 = Invalid; 1 = Fix; 2 = Differential, 3 = Sensitive) */
    int     fix;        /**< Operating mode, used for navigation (1 = Fix not available; 2 = 2D; 3 = 3D) */

    double  PDOP;       /**< Position Dilution Of Precision */
    double  HDOP;       /**< Horizontal Dilution Of Precision */
    double  VDOP;       /**< Vertical Dilution Of Precision */

    double  lat;        /**< Latitude in NDEG - +/-[degree][min].[sec/60] */
    double  lon;        /**< Longitude in NDEG - +/-[degree][min].[sec/60] */
    double  elv;        /**< Antenna altitude above/below mean sea level (geoid) in meters */
    double  speed;      /**< Speed over the ground in kilometers/hour */
    double  direction;  /**< Track angle in degrees True */
    double  declination; /**< Magnetic variation degrees (Easterly var. subtracts from true course) */

    nmeaSATINFO satinfo; /**< Satellites information */

} nmeaINFO;

nmeaINFO是一个很关键的结构体，该结构体中保存了nmea语句解析的结果。例如lat代表纬度，lon代表精度，speed代表速度。需要注意的是lat和lon的数值格式和百度地图的格式是有区别，而速度的单位为KM/H，相对于“节”这个单位，公里每小时要好理解的多。

GPS模块可以输出的内容很多，但是最基本的信息可通过GPRMC获得。GPRMC的具体格式如下内容所示：

$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*hh

<1> UTC时间，hhmmss.sss(时分秒.毫秒)格式

<2> 定位状态，A=有效定位，V=无效定位

<3> 纬度ddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也将被传输)

<4> 纬度半球N(北半球)或S(南半球)

<5> 经度dddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也将被传输)

<6> 经度半球E(东经)或W(西经)

<7> 地面速率(000.0~999.9节，前面的0也将被传输)

<8> 地面航向(000.0~359.9度，以正北为参考基准，前面的0也将被传输)

<9> UTC日期，ddmmyy(日月年)格式

<10> 磁偏角(000.0~180.0度，前面的0也将被传输)

<11> 磁偏角方向，E(东)或W(西)

<12> 模式指示(仅NMEA0183 3.00版本输出，A=自主定位，D=差分，E=估算，N=数据无效)

在不同的情况下测试GPS模块，可以获得以下三种不同形式的输出内容：

1） $GPRMC,013257.00,A,3129.51829,N,12022.10562,E,0.093,,270813,,,A*7A\r\n

2） $GPRMC,022649.00,V,,,,,,,020913,,,N*7F\r\n

3） $GPRMC,,V,,,,,,,,,,N*53\r\n

【第一种】GPS定位成功，输出正确的GPS位置信息和对地速度信息。

【第二种】GPS定位异常，只有UTC时间信息，其中V代表定位错误。

【第三种】GPS定位异常，甚至没有UTC时间信息，其中V代表定位错误。

通过测试，nmealib处理第一种情况没有任何问题，但是连续处理第二种和第三种情况会产生问题，产生问题的主要原因是动态开辟的空间没有被释放。解决该问题需要修改nmealib的源代码。如果不想修改nmealib源代码，可以在串口接收GPS输出内容时直接过滤带有V的字符串，这种方法简单有效，同样可以获得准确的GPS坐标信息。

3.若干注意点

3.1 重置解析载体缓冲区

由于nmealib虽然使用C语言，但是相关测试环境均基于PC环境，所以在嵌入式环境下需要对相关参数(宏定义)进行修改。例如context.h文件中，定义了待处理的nmea缓冲区的大小，相关宏定义如下

#define NMEA_DEF_PARSEBUFF (1024)

#define NMEA_MIN_PARSEBUFF (256)

示例代码的分析中提到，解析载体parser通过动态内存分配的方法开辟空间，该空间位于RAM空间中的heap部分，如果heap部分设置的太小，将会导致MCU进入不可预知的状态或者直接掉入断言中。

在编译器设置中，option->linker，cstack和heap的大小设置如下图所示，此时heap的大小仅有512个字节，而解析载体却需要1024个字节，那么分配内存时势必会产生问题，而工程的编译却不会有任何问题。

图2 不合适的HEAP大小设置

    if(0 == (parser->buffer = malloc(buff_size)))
        nmea_error("Insufficient memory!");        //  此时会发生内存分配错误
    else
    {
        parser->buff_size = buff_size;
        resv = 1;
    }

在这种情况下可以适当减少缓冲区的大小，例如修改如下：

#define NMEA_DEF_PARSEBUFF (256)

#define NMEA_MIN_PARSEBUFF (128)

同时可以把HEAP空间大小的调整一下。

图3 合适的HEAP大小设置

当然缓冲区的大小也是视情况而定，若GPS模块仅输出GPRMC语句，那么256字节的缓冲区已经足够了。但是如果GPS模块输出GPGGA, GPGSA, GPGSV, GPRMC, GPVTG等多种数据，那么256字节的缓冲区也有可能不够使用。

3.2 注意nmeaINFO结构体大小

nmeaINFO结构体左右360字节，若该结构体类型的变量势必会占用较多的CSTACK（全局变量的情况除外），在嵌入式编程中像nmeaINFO类型的变量也可算的上是中型“人物”了。所以在调试的过程中可以打开IDE的stack查看功能（进入debug模式，view->stack），观察当前函数的CSTACK使用情况，尤其要注意CSTACK越界的情况。

图4 查看CSTACK空间占用情况

从上图可以看出，CSTACK的大小为2048字节（2K），此时被占用752字节，占用率为36%，完全在可以接受的范围内。

4.总结

nmealib的使用可以缩短GPS的开发周期，这里只是简单的举例了nmealib的基本功能，更多的功能可以查看samples文件夹中的例子，并在实践中不断熟悉提高。

示例工程链接：【bitbucket】

简要说明：IAR ARM 6.5 simulator

最后感谢我的同事utopiaprince，我从他那里学到很多东西，也帮助我解决了很多“疑难杂症”。

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