树莓派Zero中GPS模块与Xbee共用UART引脚的解决方案咨询

问题背景 #

使用树莓派Zero，GPS模块需要的UART引脚已被Xbee占用，尝试用GPIO模拟UART通信但无法正常获取GPS数据，代码如下：

from gpiozero import DigitalOutputDevice, DigitalInputDevice
import time

gps_tx_pin = 17  # GPIO pin connected to the TX pin of the GPS module
gps_rx_pin = 26  # GPIO pin connected to the RX pin of the GPS module

gps_tx = DigitalOutputDevice(gps_tx_pin)
gps_rx = DigitalInputDevice(gps_rx_pin)

def gps_write(data):
    for char in data:
        binary = bin(ord(char))[2:].zfill(8)  # Convert character to binary string
        for bit in binary:
            gps_tx.value = int(bit)
            time.sleep(0.01)  # Adjust the delay as per the requirements

def gps_read():
    data = ""
    while True:
        if gps_rx.value:
            data += "1"
        else:
            data += "0"
        time.sleep(0.01)  # Adjust the delay as per the requirements
        if len(data) >= 8:  # Adjust the number of bits received per character
            break
    return data
while True:
    gps_write("AT\r\n")  # Send command to GPS module
    response = gps_read()  # Read response from GPS module

    response_char = chr(int(response, 2))  # Convert binary string to ASCII character

    if response_char.startswith("$GPGGA"):
        data_parts = response_char.split(",")
        if len(data_parts) >= 10:
            latitude = data_parts[2]
            longitude = data_parts[4]
            print("Latitude: {}".format(latitude))
            print("Longitude: {}".format(longitude))

time.sleep(1)  # Adjust the delay as per the requirements

可行解决方法 #

方法1：启用树莓派的辅助UART（Mini UART） #

树莓派Zero自带两个UART接口：

• 主UART（ttyAMA0）：通常被Xbee占用
• 辅助UART（ttyS0）：默认未启用，可用于连接GPS

配置步骤：

1. 编辑/boot/config.txt文件：

   sudo nano /boot/config.txt
   

2. 在文件末尾添加对应内容：
   • 若为树莓派Zero（无蓝牙）：

     enable_uart=1
     dtoverlay=uart1,txd1_pin=32,rxd1_pin=33
     

   • 若为树莓派Zero W（带蓝牙），先禁用蓝牙对主UART的占用，再启用辅助UART：

     enable_uart=1
     dtoverlay=pi3-disable-bt
     

3. 保存并重启树莓派：

   sudo reboot
   

4. 重启后将GPS模块的TX接GPIO15（RXD0）、RX接GPIO14（TXD0），之后可通过minicom或pyserial库直接读取/dev/ttyS0或/dev/ttyAMA0的GPS数据。

方法2：改进软件模拟UART代码 #

你当前的模拟代码存在两个核心问题：

• 时序错误：time.sleep(0.01)对应100波特率，而GPS模块默认波特率为9600，单bit延迟应为1/9600 ≈ 0.000104秒
• 未处理UART的起始位、停止位，仅读取8位数据，无法正确解析GPS的NMEA语句

改进方案：使用pigpio库实现高精度模拟UART（依赖硬件定时，比gpiozero更适合串口模拟）：

1. 安装pigpio：

   sudo apt-get install pigpio python3-pigpio
   sudo systemctl start pigpiod
   sudo systemctl enable pigpiod
   

2. 替换代码为：

   import pigpio
   import time
   
   # 配置模拟UART引脚
   GPS_TX = 17
   GPS_RX = 26
   BAUD_RATE = 9600
   
   pi = pigpio.pi()
   if not pi.connected:
       exit()
   
   # 初始化模拟UART
   pi.set_mode(GPS_TX, pigpio.OUTPUT)
   pi.set_mode(GPS_RX, pigpio.INPUT)
   pi.bb_serial_read_open(GPS_RX, BAUD_RATE)
   pi.bb_serial_write_open(GPS_TX, BAUD_RATE)
   
   try:
       while True:
           # 读取GPS数据
           count, data = pi.bb_serial_read(GPS_RX)
           if count > 0:
               nmea_str = data.decode('ascii')
               for line in nmea_str.split('\n'):
                   if line.startswith('$GPGGA'):
                       parts = line.split(',')
                       if len(parts) >= 10:
                           lat = parts[2]
                           lon = parts[4]
                           print(f"纬度: {lat}, 经度: {lon}")
           time.sleep(0.1)
   finally:
       pi.bb_serial_read_close(GPS_RX)
       pi.bb_serial_write_close(GPS_TX)
       pi.stop()
   

方法3：使用USB转UART模块（最便捷） #

无需占用GPIO引脚，直接将GPS模块通过USB转TTL模块连接到树莓派的USB口：

1. 连接后，树莓派会识别出串口设备（通常为/dev/ttyUSB0或/dev/ttyACM0）
2. 使用pyserial库读取数据：

   pip install pyserial
   

   import serial
   import time
   
   ser = serial.Serial('/dev/ttyUSB0', 9600, timeout=1)
   try:
       while True:
           line = ser.readline().decode('ascii').strip()
           if line.startswith('$GPGGA'):
               parts = line.split(',')
               if len(parts) >= 10:
                   lat = parts[2]
                   lon = parts[4]
                   print(f"纬度: {lat}, 经度: {lon}")
           time.sleep(0.1)
   finally:
       ser.close()
   

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Aysu Mammadli