代码收藏家 【RT-Thread】STM32的UART设备读取GPS数据
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前言
本文基于STM32F429VET6单片机和RT-Thread Studio集成开发环境，使用CubeMX工具配置系统时钟，SConscript构建目录，通过RTThread的UART设备、GPS RMC软件包，实现了GPS模组ATGM336H定位信息的实时获取。
1. 开发环境搭建
2. RTT Studio创建工程
为了更好的理解RT-Thread Studio手动构建工程的过程，创建工程时选择基于芯片，而不要选择基于开发板。根据实际情况选择一个串口作为串口终端，按正常流程创建工程后，首先需要对系统时钟进行配置。
遇到问题：在新建的工程里无法打开CubeMX Setting，双击后进度条一闪而过！（如果是基于开发板创建工程，则未遇到此问题。）
此问题应该是RT-Thread Studio在不同操作系统上链接CubeMX.exe时产生的兼容性问题，网上查找一番后在RT-Thread社区找到答案，虽然该贴描述的是Win7系统，但我是Win10系统也得到解决，在此感谢社区网友。如果以下链接中的cubemx.exe无法下载，也可以评论区留下邮箱。（也可以尝试重新安装最新版RT-Thread Studio）
解决方法：https://club.rt-thread.org/ask/question/136adc86e4d06132.html
3. CubeMX配置系统时钟
RTT Studio创建的工程默认使用内部高速时钟HSI，相对于外部晶振产生的时钟精度更低。配置系统时钟时有两种方式：
方式一：直接修改drv_clk.c文件，此方式适合于对时钟树熟练的用户；
方式二：通过STM32CubeMX配置，此方式适合于熟悉CubeMX工具的用户。（本文采用）
系统时钟初始化过程：
hw_board_init() -> clk_init() -> system_clock_config()
1）board.h头文件：
定义系统时钟相关宏，默认使用高速内部时钟，主频为最大180MHz。
/*-------------------------- CLOCK CONFIG BEGIN --------------------------*/
#define BSP_CLOCK_SOURCE ("HSI")
#define BSP_CLOCK_SOURCE_FREQ_MHZ ((int32_t)0)
#define BSP_CLOCK_SYSTEM_FREQ_MHZ ((int32_t)180)
/*-------------------------- CLOCK CONFIG END --------------------------*/
2）board.c源文件：
在hw_board_init初始过程中调用clk_init()。
void hw_board_init(char *clock_src, int32_t clock_src_freq, int32_t clock_target_freq)
{
...
/* enable interrupt */
__set_PRIMASK(0);
/* System clock initialization */
clk_init(clock_src, clock_src_freq, clock_target_freq);
/* disbale interrupt */
__set_PRIMASK(1);
...
前后省略部分代码
}
3）clk_dvr.c源文件：
在clk_init中调用system_clock_config()。
void clk_init(char *clk_source, int source_freq, int target_freq)
{
system_clock_config(target_freq); //在clk_dvr.c中实现
}
注：在boad.c中调用rt_hw_board_init时将上述三个参数传入，由此可见上述三个宏只使用了一个参数target_freq，即目标频率
hw_board_init(BSP_CLOCK_SOURCE,BSP_CLOCK_SOURCE_FREQ_MHZ, BSP_CLOCK_SYSTEM_FREQ_MHZ);
4）CubeMX配置时钟：
在此使用HSE外部时钟，系统时钟设置最大为180MHz。生成代码时工配置勾选生成单独的.c和.h文件，以及只生需要的库文件。
生成代码后，直接关闭CubeMX软件即可。第一次配置cubemx关闭软件时会提示产生stm32f4xx_hal_conf_bak.h文件，点击确认即可，也就是说后续将使用cubemx目录下的stm32f4xx_hal_conf.h文件配置。
回到RTT Studio项目资源管理器，右击->刷新，此时使用CubeMX工具生成的完整目录会自动更新到工程中。这时在项目中存在两个main.c和两份HAL驱动库，需要通过SConscript来构建目录选择需要的文件，所以先不执行编译。
注：项目中bsp目录是手动添加的，新建工程不存在此目录。此时，如果直接编译工程会报出几百个错误！
4）调用系统时钟配置函数：
有两种方式：
一种是将SystemClock_Config()函数中的内容替换system_clock_config()函数中的内容，但是如果修改CubeMX时钟配置后，每次都需要重新再修改一次system_clock_config()函数，因此选择下面的方式。
另一种方式是外部声明并直接调用SystemClock_Config()函数，注释原来的system_clock_config()调用，这样更新CubeMX配置后也不需要再修改代码。
void clk_init(char *clk_source, int source_freq, int target_freq)
{
//注释原来的时钟配置，使用CubeMX的时钟配置
//system_clock_config(target_freq);
extern void SystemClock_Config(void);
SystemClock_Config();
}
注：SystemClock_Config()和system_clock_config()是两个不同的函数。
4. SConscript构建目录
1）构建目录
完成时钟配置后，通过SConscript文件重新构建cubemx目录，以解决main.c和HAL库重复、以及stm32f4xx_it.c、stm32f4xx_hal_msp.c、system_stm32f4xx.c等文件无需引用的问题。这里需要对SCon的内置函数有一些了解，SConscript 文件使用Python语法，可以实现控制源码文件的加入，并且可以指定文件的Group(类似于MDK5/IAR中的Group)。最快捷的方式是复制工程中其它SConscript文件进行修改。
SConscript文件源码：
import os
from building import *
cwd = GetCurrentDir()
src = Glob('*.c')
src = Split('''
Src/main.c
''')
path = [cwd]
path += [cwd + '/Inc']
group = DefineGroup('cubemx', src, depend = [''], CPPPATH = path)
Return('group')
注：因为编译时只需要用到main.c文件中的函数，所以Src目录下其它的.c文件不需要添加构建。
**DefineGroup(name， src， depend，parameters)函数参数描述：
| 参数 | 描述 |
|---|---|
| name | Group 的名字 |
| src | Group 中包含的文件，一般指的是 C/C++ 源文件。 |
| depend | Group 编译时所依赖的选项 |
| parameters | 配置其他参数 |
parameters可加入的标志：
| 标志 | 描述 |
|---|---|
| CCFLAGS | C源文件编译参数 |
| CPPPATH | 头文件路径 |
| CPPDEFINES | 链接时参数 |
| LIBRARY | 将组件生成的目标文件打包成库文件 |
在cubemx目录下添加SConcript文件后，右击->更新软件包，即可完成目录构建。构建结果如下:
提示：main.c中的SystemClock_Config()函数在clk_init()中调用，即上述配置的系统时钟初始化；
2）修改main函数
构建目录后工程中还包含两个main函数，一个是applications/main.c文件中的，一个是cubemx/main.c文件中的。因此我们需要注释cubemx/main.c中的main函数，或在其前面添加__WEAK关键词将其弱化。但是每次配置CubeMX工具生成代码后，都会更新cubemx中的main.c文件，所以每次需要重新修改main函数。
修改main函数：
__WEAK int main(void)
提示：第一次配置cubemx生成的代码，自动会在main函数前添加WEAK关键字！
3）配置HAL串口模块
如果此时直接编译工程会提示串口结构体未定义，因为在CubeMX配置生成代码后，工程会在drivers目录下备份一个stm32f4xx_hal_conf_bak.h文件（即上述提到的首次关闭cubemx时的提示。），而使用cubemx/Inc目录下新生成的stm32f4xx_hal_conf.h文件，但是在配置系统时钟时并没有对串口进行配置，即未开启HAL_UART_MODULE_ENABLED宏定义。
此时有两种方式可以解决：
方式一：重新打开cubemx工具配置一个串口，即新建工程时选择的终端串口号；
方式二：手动开启cubemx/stm32f4xx_hal_conf.h头文件中的串口模块宏定义。（本文采用）
stm32f4xx_hal_conf.h文件第78行：
#define HAL_UART_MODULE_ENABLED
此时再次编译工程即可通过，下面进行串口驱动设备程序的开发。
5. UART设备驱动程序
1）使能UART设备驱动
在创建工程时默认已经开启了UART设备，因为新建工程时已经选择了一个串口作为终端控制的端口。
2）定义UART引脚
在board.h文件配置相应的串口引脚，原文中注释详细描述了如何定义串口引脚和使用DMA方式，在此根据自己的实际情况选择相应的串口引脚。以下定义了两组串口，Console终端串口和GPS模块串口。
//终端控制串口
#define BSP_USING_UART1
#define BSP_UART1_TX_PIN "PA9"
#define BSP_UART1_RX_PIN "PA10"
//GPS控制串口
#define BSP_USING_UART8
#define BSP_UART8_TX_PIN "PE1"
#define BSP_UART8_RX_PIN "PE0"
/*-------------------------- UART CONFIG END --------------------------*/
3）添加GPS软件包
打开RT-Thread Setting界面，搜索找到GPS RMC: Analysis of GPS RMC information。开启此项功能，并修改Uart Port Name为上述定义的GPS模块串口号，保存并更新软件包。
此时在项目资源管理器中会自动添加packages目录，各文件功能描述如下：
注：在rtt_gps_rmc_example.c文件中默认定义了GPS串口设备名称为uart6，而在启用GPS软件包时配置了串口8，所以在rtconfig.h文件中已经定义了GPS_RMC_SAMPLE_UART_NAME为“uart8”，两处二选一并不冲突，避免误解尽量改为一致。以下为两个文件的定义：
rtconfig.h文件：
/* tools packages */
#define PKG_USING_GPS_RMC
#define PKG_USING_GPS_RMC_LATEST_VERSION
#define GPS_RMC_USING_SAMPLE
#define GPS_RMC_SAMPLE_UART_NAME "uart8"
/* end of tools packages */
rtt_gps_rmc_example.c文件部分源码：
/* 定义GPS设备名称 */
#ifndef GPS_RMC_SAMPLE_UART_NAME
#define GPS_RMC_SAMPLE_UART_NAME "uart8" //手动修改为uart8，保持一致。
#endif
/* 接收数据回调函数 */
static rt_err_t uart_input(rt_device_t dev, rt_size_t size)
{
/* 串口接收到数据后产生中断，调用此回调函数，然后发送接收信号量 */
rt_sem_release(&rx_sem);
return RT_EOK;
}
/* GPS线程入口函数 */
void gps_rmc_sample_entry(void *p)
{
char buff[128] = {0}, *buff_p = buff, ch = 0;
struct gps_info info_data = {0};
gps_info_t info = &info_data;
while (1)
{
/* 从串口读取一个字节的数据，没有读取到则等待接收信号量 */
while (rt_device_read(uart, -1, &ch, 1) != 1)
{
/* 阻塞等待接收信号量，等到信号量后再次读取数据 */
rt_sem_take(&rx_sem, RT_WAITING_FOREVER);
}
if (ch == '\n')
{
/* 在接收数据中查找“RMC字符串” */
if (rt_strstr((const char *)buff, "RMC"))
{
/* 解析并打印定位信息 */
if (gps_rmc_parse(info, buff))
gps_print_info(info);
}
rt_memset(buff, 0, 128);
rt_memset(info, 0, sizeof(struct gps_info));
buff_p = buff;
continue;
}
*buff_p++ = ch;
}
}
/* GPS线程初始化 */
int gps_rmc_sample_entry_init(void)
{
uart = rt_device_find(GPS_RMC_SAMPLE_UART_NAME);
if (uart == RT_NULL)
{
rt_kprintf("Not find %s device.\r\n", GPS_RMC_SAMPLE_UART_NAME);
return RT_ERROR;
}
/* 初始化信号量 */
rt_sem_init(&rx_sem, GPS_RMC_SAMPLE_UART_NAME"_rx", 0, RT_IPC_FLAG_FIFO);
/* 设置GPS串口波特率为9600 */
struct serial_configure config = RT_SERIAL_CONFIG_DEFAULT;
config.baud_rate = BAUD_RATE_9600;
rt_device_control(uart, RT_DEVICE_CTRL_CONFIG, &config);
/* 中断接收方式开启打开串口设备 */
rt_device_open(uart, RT_DEVICE_FLAG_INT_RX);
/* 注册串接收回调函数 */
rt_device_set_rx_indicate(uart, uart_input);
/* 创建GPS线程 */
rt_thread_t t = rt_thread_create("gps_rmc_p", gps_rmc_sample_entry, RT_NULL,2048, 20, 10);
if (t == RT_NULL)
{
rt_kprintf("Failde to create gps rmc info procees thread.\r\n");
return RT_ERROR;
}
/* 启动GPS线程 */
if (rt_thread_startup(t) != RT_EOK)
{
rt_kprintf("Failde to startup gps rmc info procees thread.\r\n");
rt_thread_delete(t);
return RT_ERROR;
}
return RT_EOK;
}
/* 应用初始化：该函数返回值需要为int型，否则会报警告 */
INIT_APP_EXPORT(gps_rmc_sample_entry_init);
rtt_gps_rmc_example.c文件主要内容:
以应用初始化方式创建了“gps_rmc_p”线程，以中断方式接收串口数据(即GPS模块数据)，并对GPS定位信息进行了解析，通过终端打印出来。也就是说在GPS模块默认使用9600波特率时，不需要做任何代码修改，即可实现GPS定位信息输出，这也充分体现了使用开源开发方式的高效。
6. 获取GPS定位信息
以上工程配置编译通过后，只需要连接GPS硬件模块即可输出GPS定位信息，实测设备上电后约10秒为首次获取定位时间，输出无效数据，之后每秒更新一次GPS定位有效数据。
修改代码，打印GPS原始数据：
GNRMC数据格式说明：
$GNRMC,090515.000,A,3110.34110,N,12122.03227,E,0.00,94.34,171122,,,A*46
1：$GNRMC, 格式ID，表示该格式为建议的最低特定GPS / TRANSIT数据（RMC）推荐最低定位信息
2: UTC时间, 格式hhmmss.ssss，代表时分秒.毫秒
3: 状态 A:代表定位成功 V:代表定位失败
4: 纬度 ddmm.mmmmmm 度格式（如果前导位数不足，则用0填充）
5: 纬度 N(北纬) S(南纬)
6: 经度 dddmm.mmmmmm 度格式（如果前导位数不足，则用0填充）
7: 经度 E(东经) W(西经)
8: 速度（也为1.852 km / h）
9: 方位角，度（二维方向，等效于二维罗盘）
10: UTC日期 DDMMYY 天月年
11: 磁偏角（000-180）度，如果前导位数不足，则用0填充）
12: 磁偏角方向E =东W =西
13: 模式，A=自主模式，E=估算模式，N=数据模式，D=差分模式，M=未定位
14: 校验和
15: 回车换行符
小结
学习RT-Thread设备驱动时，需要先了解drivers驱动库与HAL库之间的关系，两者之间可以通过CubeMX工具作为桥梁，合理利用CubeMX可有效提高开发效率。此外，RT-Thread Studio中的开源软件包资源丰富，本文只对GPS模块功能进行测试，其它类似外设驱动也可以参照此方法实现快速开发。
