Прием и парсинг NMEA-данных от GPS-приемника⁠⁠

GPS-приемники сегодня используются в самых разных устройствах - от автомобильных трекеров до беспилотных летательных аппаратов, независимо от применения, большинство таких модулей передают информацию о положении в формате NMEA 0183, в этой статье я разберу, как принять эти данные от GPS-модуля на микроконтроллер STM32 и преобразовывать их в удобный для программы вид.

А также в статье будут рассмотрены два варианта подключения GPS-приемников к микроконтроллеру STM32:

• Модуль GPS c UART-интерфейсом (TTL-уровни), подключаемый на прямую к микроконтроллеру;

• Модуль GPS с интерфейсом RS-232, данные от такого типа gps, необходимо принимать через преобразователь уровней TTL.

В данном проекте используются GPS-приемники: LS23030 (UART) и LS23036(RS-232).

Схема подключения GPS-UART

Подключение модуля-GPS(UART) к микроконтроллеру STM32F103

Сигнал GPS, подключается к выводу PA10-31_контакт - RX(МК-STM32F103)

Для более стабильного напряжения питания можно использовать следующую схему, в которой работает понижающий преобразователь MP231, но необходим источник +12В, в моем случае используется аккумуляторная сборка (NiMH/Pb +12В).

Понижающий преобразователь напряжения MP2315 [ +12V до +5V ]

Вид осциллограммы передаваемых данных модуля-gps(uart) (линия TX)

Осциллограмма амплитуды данных от модуля-gps(uart)

Показатель амплитуды данных от модуля gps(uart) = delta [ 3.4V ], можно подключать к микроконтроллеру STM32.

Схема подключения GPS(RS-232)

Подключение модуля-GPS(RS-232) через ADM3202 к МК-STM32F103

Сигнал модуля-gps(rs-232), сначала приходит на 13 контакт преобразователя ADM3202, далее преобразованный сигнал (TTL) уходит на PA10-31_контакт - RX(МК-STM32F103)

Схема подключения ADM3202 к МКSTM32 - макет

Макет ADM3202 и подключение к STM32F103

Также для более стабильного напряжения питания по +5В, можно использовать схему преобразователя напряжения MP2315.

Для более стабильного напряжения питания по +3В, можно использовать следующую схему, в которой работает линейный стабилизатор напряжения LP2985.

Линейный стабилизатор напряжения LP2985 (+5В +3В)

Краткая информация о преобразователе ADM3202

Микроконтроллеры STM32, работают с логическими уровнями TTL/CMOS - обычно это 3.3В или 5В, интерфейс RS-232, напротив, использует более высокие и отрицательные напряжения ( от ±3В до ±12В), что делает их напрямую несовместимыми.

Если подключить напрямую модуль-GPS (RS-232) к выводам МК-STM32, это может не только привести к искажению данных, но и физически повредить выводы. ADM3202 решает эту задачу, переводя сигналы из одного уровня в другой, в обоих направлениях.

ADM3202 - это двухканальный приемопередатчик уровней RS-232 - TTL, выполняет сразу две задачи:

• Преобразование входящих RS-232 сигналов в безопасные TTL-уровни(RX-канал);

• Преобразование исходящих TTL-сигналов микроконтроллера в RS-232(TX-канал).

Для формирования требуемых амплитуд RS-232, внутри микросхемы используется помповый преобразователь напряжения(chage pump) с четырьмя внешними конденсаторами, это позволяет работать от одного источника питания (от 3В до 5.5В).

Вид осциллограммы передаваемых данных модуля-gps(rs-232) до преобразования ADM3202

Осциллограмма амплитуды данных от модуля-gps(rs-232) до преобразования ADM3202

Показатель амплитуды данных от модуля gps(rs-232) до преобразования = delta [ 10.6V ], нельзя подключать к микроконтроллеру STM32.

Вид осциллограммы передаваемых данных модуля-gps(rs-232) после преобразования ADM3202

Осциллограмма амплитуды данных от модуля-gps(rs-232) после преобразования ADM3202

Показатель амплитуды данных от модуля gps(rs-232) после преобразования = delta [ 3.6V ], можно подключать к микроконтроллеру STM32.

Настройка микроконтроллера STM32F103 в CubeIDE

Конфигурация Parametr Settings

В параметрах USART (Parametr Settings) я выбираю:

• Mode: Asynchronous (асинхронный режим);

• Baud Rate: 9600 бит/с (в моем примере два модуля-gps (rs-232 и uart) работают на скорости 9600).

все остальные параметры без изменений.

Настройка "Parameter settings"

Конфигурация NVIC Settings

Захожу в параметр (NVIC Settings) и включаю глобальное прерывание

Для отслеживания состояния интерфейса USART и обработки важных событий (например, завершения приема или ошибки), в разделе NVIC Settings было включено глобальное прерывание USART, это обеспечивает возможность немедленного реагирования со стороны микроконтроллера на изменения состояния периферии без постоянного опроса регистров.

Настройка "NVIC Settings"

При работе с GPS-модулями, которые передают NMEA-сообщения раз в секунду (1Hz), важно правильно организовать прием данных, чтобы не пропустить ни одного пакета. Необходимо настроить DMA в режиме Circular данный режим минимизирует нагрузку на процессор и гарантирует надежный прием.

Конфигурация DMA Settings

Захожу в параметр DMA Settings и выполняю следующие настройки:

1. Выбор потока/канала: USART1_RX (прием данных);

2. Mode: Circular ;

3. Increment Memory Address: Enabled (автоинкремент памяти);

4. Data Width: Byte (8 бит, соответствует формату NMEA).

Настройка "DMA Settings"

Реализация программного кода(настройка и прием данных)

Коротко о NMEA 0183

Это текстовый протокол, используемый для передачи данных между морским и авиационным навигационным оборудованием, включая GPS-приемники. Большинство современных GPS-модулей выводят информацию именно в этом формате.

Основные особенности:

• Текстовый формат – данные передаются в виде ASCII-строк;

• Структура сообщений – каждая строка начинается с $, содержит идентификатор типа данных и заканчивается контрольной суммой;

• Скорость передачи – обычно 9600 бод (но может быть и выше для высокочастотных модулей);

• Частота обновления – чаще всего 1 раз в секунду (1Hz), но бывают 5Hz, 10Hz и более.

Пример строки (GGA – Global Positioning System Fix Data):

После обработки GGA:

• Время: 11:25:30

• Широта: 60.20576° N

• Долгота: 30.261315° E

• Качество фикса: 1

• Спутников: 10

• Высота: 45.3 м

Пример строки (RMC – Recommended Minimum Navigation Information):

После обработки RMC:

• Время: 11:25:30

• Статус: Данные действительные

• Широта: 60.20576° N

• Долгота: 30.261315° E

• Скорость: 5.12 узла (~9.48 км/ч)

• Курс: 87.45°

• Дата: 11.08.2025

Также прикрепляю еще одну ссылку, где в детальности продемонстрирована расшифровка протокола NMEA0183 [https://wiki.iarduino.ru/page/NMEA-0183/].

Определение структур данных в заголовочном файле [ NMEA.h ]

Для удобства работы с навигационной информацией из gps-приемника, здесь я заранее описываю набор структур, каждая из которых отвечает за свой логический блок данных.

Реализация модуля парсинга протокола NMEA.c

Функция decodeGGA()

Парсит строку $GPGGA и заполняет структуру GGASTRUCT данными: время, координаты, высота, количество спутников, качество фиксации.

Шаги работы функции:

• Подготовка к поиску нужных данных

  • Переменная inx - это текущий индекс в строке GGAbuffer;

  • Сначала иду пропуск ненужных полей (счетчик двигается до следующей ,)

• Проверка валидации качества позиционирования

  • В NMEA поле качества фиксации (Fix Quality) может быть:

    • 0 - нет фикса, 1 - GPS Fix, 2-DGPS Fix, 4/5/6 другие корректные варианты;

    • Если поле содержит из разрешенных цифр, то в gga->isfixValid устанавливается в 1, иначе функция возвращает ошибку.

• Чтение времени

  • Извлекается время в формате HHMMSS (UTC);

  • Преобразуются числа;

  • Корректируется по смещению GMT, при необходимости меняется день (daychange++ или daycahnge--).

• Чтение широты (Latitude)

  • Формат в NMEA: DDMM.MMM;

  • Первые цифры - градусы, остальное - минуты;

  • Код выделяет минуты, делит их на 60 и добавляет к градусам;

  • Если NS == 'S', широта делается отрицательной.

• Чтение долготы (Longitude)

  • Формат в NMEA: DDMM.MMM;

  • Аналогично широте, но первые 3 цифры - градусы;

  • Если EW == 'W', долгота делается отрицательной.

• Чтение типа вычисления координат

  • Из поля после долготы извлекается число (gga->calc.calculation), указывающее метод позиционирования.

• Чтение количества спутников

  • Следующее поле - количество видимых спутников (gga->numofsat).

• Пропуск HDOP

  • HDOP (Horizontal Dilution of Precision) не используется, просто пропускается.

• Чтение высоты

  • Поле с высотой (gga->alt.altitude) и единицами (gga->alt.unit, обычно 'M' - метры).

• Завершение

  • Возвращается 0 при успешном разборе.

Функция decodeRMC()

Парсит строку $GPRMC и заполняет структуру RMCSTRUCT и извлекает: валидность данных, скорость, курс и дату.

• Пропуск времени

  • Сначала идет поле времени, но в этой функции оно не сохраняется.

• Проверка валидности

  • Если после времени идет А(Active) - данные актуальны;

  • Если V(Void) нет актуальных данных, функция возвращает ошибку.

• Пропуск координат

  • Пропускаются поля широты, долготы и направления (NS/EW).

• Чтение скорости

  • В NMEA скорость указывается в узлах;

  • Код переводит строку в число с плавающей точкой и записывает в rmc->speed.

• Чтение курса

  • Следующее поле - курс (угол направления движения в градусах относительно севера).

• Чтение даты

  • Формат: DDMMYY;

  • Код выделяет день, месяц, год, корректирует день с учетом daychange (из GGA), и записывает в rmc->date.

Реализация модуля обработчика потока от UART-GPS uartProc_GNSS.c

Функция uart_Handler_GNSS - это основной обработчик UART-потока, вызывается постоянно из главного цикла.

Логика работы:

1. Проверяет, сработали ли прерывания DMA (половина буфера или полный буфер);

2. Если пришли новые данные - устанавливает флаг активности GPS (gParams.isGPS = 1);

3. Поиск GGA или RMC

   • В режиме shabloneMode = 0 ищет последовательность GGA или RMC;

   • Когда шаблон найден, переключаемся в режим shabloneMode = 1;

   • В режиме 1 копирует байты до символа конца строки (13 или 10);

4. Действие когда собрана строка

   • Записывает строку в буфер buf_GGA или buf_RMC в зависимости от типа;

   • Обновляет время последнего получения GPS (gps_time_receive).

5. Декодирование

   • Вызывает decodeGGA() и decodeRMC() для извлечения данных в структуру gpsData.

6. Формирование выходного пакета:

   • Если хотя бы одно из сообщений валидно, формирует строку с координатами, временем, количеством спутников, режим фикса, высотой и курсом.

   • Записывает в результат в uart_rezult_buf_out_AB[] с преамбулой 0x5A 0xA5 и длиной пакета.

7. Если в течение (DELAY_GPS_STATUS_CONNECT)1000 миллисекунд новых данных нет - GPS считается отключенным (gParams.isGPS= 0).

8. uint8_t* dpi_getGPS_buffer (Возвращает указатель на готовый пакет данных для передачи ведущему устройству, а так же его размер).

9. void uart_startRecieving_GNSS (Запускает прием данных от GPS-приемника в режиме DMA).

Ссылка на скачивание исходного кода [ https://t.me/ChipCraft В закрепленном сообщении [ #исскуствомк_исходный_код -Исходный код для Module_GPS_NMEA0183]

Графический GPS-трекер я разработал для тестирования на С#, если Вам будет интересно, пишите в комментариях и я с радостью напишу статью.

Если статья показалась Вам интересной, буду рад выпустить для Вас еще множество статей исследований по всевозможным видам устройств, так что, если не хотите их пропустить – буду благодарен за подписку на мой ТГ-канал: https://t.me/ChipCraft.