简单理解：GPS 嵌入式设计核心框架、开发流程与实战要点（面试 / 项目落地双适配）

GPS 嵌入式设计核心是 "嵌入式主机（MCU）+ GPS 模块" 的组合，通过接收卫星信号解算位置、时间、速度等信息，广泛应用于车载导航、物流追踪、户外设备、物联网终端等场景。以下是结构化梳理，兼顾理论与实战，适配面试问答和项目落地：

一、核心基础认知（先搞懂关键概念）

GPS 本质：全球定位系统（Global Positioning System），由美国 24 颗卫星组成的卫星导航网络，终端通过接收至少 4 颗卫星信号，基于三角定位原理计算自身经纬度、海拔、速度、时间（UTC）。
嵌入式设计核心目标：让设备实现 "定位数据采集→解析→存储 / 传输→应用"，重点解决低功耗、抗干扰、数据稳定性问题。
常见替代 / 补充方案 ：
- GLONASS（俄罗斯）、北斗（BDS，中国，优先适配国内场景）、Galileo（欧盟），模块多支持多系统联合定位（如 GPS + 北斗，定位更快、精度更高）；
- 室内场景可搭配 WiFi / 蓝牙辅助定位（弥补 GPS 信号遮挡问题）。

二、核心硬件架构（最小系统设计）

1. 核心组件选型（嵌入式高频方案）

组件	选型要点	推荐型号 / 方案
嵌入式主机	需 UART 接口（与 GPS 模块通信）、GPIO（控制模块电源 / 复位）、可选 SPI/I2C（连接存储芯片），优先低功耗	STM32F103（通用场景）、ESP32（自带 WiFi / 蓝牙，适合定位 + 数据上传）、STM32L476（低功耗，适配电池供电终端）
GPS 模块	支持多系统（GPS + 北斗优先）、定位精度（民用 3-5 米）、更新率（1-10Hz）、接口（UART 为主）、功耗	经典款：NEO-6M/NEO-7M/NEO-8M（性价比高，入门首选）；进阶款：Ublox MAX-M8Q（多系统，抗干扰强）、ATGM336H（北斗 + GPS，国内信号好）
外围电路	电源（模块工作电压 3.3V，需稳定供电）、天线（关键！）、SIM 卡（若需远程传输定位数据）	天线：外置有源陶瓷天线（增益≥28dB，带 CRC 校验，减少遮挡影响）；电源：LDO 稳压（如 AMS1117-3.3，过滤纹波，避免信号干扰）
辅助组件	存储芯片（SD 卡 / Flash，存储历史轨迹）、通信模块（GSM/NB-IoT/LoRa，上传定位数据）、显示屏（实时显示位置）	MicroSD 卡模块（存储轨迹日志）、SIM800C（GPRS 上传）、0.96 寸 OLED 屏（显示经纬度 / 时间）

2. 硬件设计关键要点（避坑核心）

天线布局：必须裸露在设备无遮挡处（远离金属外壳、电源模块），焊接时天线馈线尽量短，避免信号衰减；
电源隔离：GPS 模块对电源噪声敏感，需单独供电或加磁珠、滤波电容（如 10μF 电解电容 + 0.1μF 陶瓷电容），防止 MCU 电源干扰；
GPIO 控制：通过 GPIO 连接模块的 RESET 引脚（复位模块）、PPS 引脚（秒脉冲，用于时间同步，精度达 1μs）；
抗干扰设计：PCB 布线时，GPS 模块的电源、地、信号线分开，地线加粗，避免与电机、射频模块（如 LoRa）近距离布局。

GPS 嵌入式设计核心代码（STM32 为例，基于 HAL 库）

以下是 GPS 模块数据接收、NMEA 协议解析（核心帧 $GPRMC）、数据存储与显示 的实战代码，适配 STM32F103+NEO-6M/8M/MAX-M8Q 模块，注释详细，可直接移植修改。

一、前提说明

硬件连接：GPS 模块 TX → STM32 USART1 RX（PA10），GPS 模块 RX → STM32 USART1 TX（PA9），GPS VCC→3.3V，GND→GND；
通信参数：UART 波特率 9600（GPS 模块默认，若为 115200 需修改代码）、8 数据位、1 停止位、无校验；
核心功能：接收 NMEA 数据→解析 $GPRMC 帧→提取经纬度、时间、速度→存储到数组（可扩展 SD 卡存储）→OLED 显示（需适配自身 OLED 驱动）。

二、核心代码

1. 头文件定义（gps.h）

复制代码

#ifndef __GPS_H
#define __GPS_H

#include "stm32f1xx_hal.h"
#include <string.h>
#include <stdio.h>

// GPS数据存储结构体（$GPRMC核心字段）
typedef struct {
    uint8_t fix_status;      // 定位状态：0=未定位，1=定位有效
    char time[10];           // UTC时间：格式HHMMSS.SSS（如123456.789）
    char latitude[12];       // 纬度：格式DDMM.MMMMM（如3026.12345）
    char lat_dir;            // 纬度方向：N（北）/S（南）
    char longitude[13];      // 经度：格式DDDMM.MMMMM（如12056.78901）
    char lon_dir;            // 经度方向：E（东）/W（西）
    char speed[6];           // 地面速度：单位节（1节≈1.852km/h）
    char date[7];            // 日期：格式DDMMYY（如200524=2024年5月20日）
} GPS_DataTypeDef;

// 全局变量（供其他文件调用）
extern GPS_DataTypeDef GPS_Data;
extern uint8_t GPS_Recv_Buf[1024];  // GPS接收缓冲区
extern uint16_t GPS_Recv_Len;       // 接收数据长度

// 函数声明
void GPS_Init(void);                // GPS初始化（本质是UART初始化）
void GPS_Parse_NMEA(void);          // NMEA协议解析（核心函数）
void GPS_Convert_Decimal(void);     // 经纬度度分格式→十进制格式（可选）

#endif

2. 源文件实现（gps.c）

复制代码

#include "gps.h"
#include "usart.h"  // 包含STM32 USART1 HAL库配置（需自行生成）
#include "oled.h"  // 包含OLED显示驱动（需适配自身OLED）

// 全局变量初始化
GPS_DataTypeDef GPS_Data = {0};
uint8_t GPS_Recv_Buf[1024] = {0};
uint16_t GPS_Recv_Len = 0;

// 串口接收回调函数（HAL库）：GPS数据实时存入缓冲区
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {
    if (huart->Instance == USART1) {  // 确认是GPS模块连接的USART1
        GPS_Recv_Len++;
        // 缓冲区溢出保护（超过1023则重置）
        if (GPS_Recv_Len >= 1024) GPS_Recv_Len = 0;
        // 继续开启中断接收下一个字节
        HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &GPS_Recv_Buf[GPS_Recv_Len], 1);
    }
}

// GPS初始化：配置USART1并开启中断接收
void GPS_Init(void) {
    // USART1配置已在STM32CubeMX中生成（见usart.c），此处仅开启中断接收
    HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &GPS_Recv_Buf[0], 1);
    // 初始化GPS数据结构体
    memset(&GPS_Data, 0, sizeof(GPS_DataTypeDef));
}

// 字符串分割函数（辅助解析NMEA帧，按逗号分割）
static char* GPS_StrSplit(char *str, const char sep, uint8_t index) {
    char *p = str;
    uint8_t i = 0;
    while (*p != '\0') {
        if (*p == sep) {
            i++;
            if (i == index) {
                return p + 1;  // 返回第index个分隔符后的字符串起始地址
            }
        }
        p++;
    }
    return NULL;  // 未找到对应索引
}

// NMEA协议解析：重点解析$GPRMC帧
void GPS_Parse_NMEA(void) {
    char *ptr = NULL;
    // 1. 查找$GPRMC帧的起始位置（NMEA帧以$开头，GPRMC为推荐最小数据帧）
    ptr = strstr((char*)GPS_Recv_Buf, "$GPRMC");
    if (ptr == NULL) {
        GPS_Recv_Len = 0;  // 未找到目标帧，清空缓冲区
        return;
    }

    // 2. 按逗号分割字段，提取关键信息（$GPRMC字段定义：$GPRMC,HHMMSS.SSS,Status,Lat,LatDir,Lon,LonDir,Speed,Track,Date,MagVar,MagVarDir,*Checksum）
    char *field[13] = {0};  // 存储13个字段的指针
    for (uint8_t i = 0; i < 13; i++) {
        field[i] = GPS_StrSplit((char*)ptr, ',', i);
        if (field[i] == NULL) break;  // 字段不完整，退出解析
    }

    // 3. 验证字段完整性，提取有效数据
    if (field[0] != NULL && field[1] != NULL && field[2] != NULL && 
        field[3] != NULL && field[4] != NULL && field[5] != NULL && field[6] != NULL) {
        
        // 定位状态（field[2]：A=有效定位，V=无效定位）
        GPS_Data.fix_status = (field[2][0] == 'A') ? 1 : 0;
        
        if (GPS_Data.fix_status == 1) {  // 仅在定位有效时提取数据
            // UTC时间（field[1]：HHMMSS.SSS，截取前6位HHMMSS）
            strncpy(GPS_Data.time, field[1], 6);
            GPS_Data.time[6] = '\0';  // 字符串结束符
            
            // 纬度（field[3]：DDMM.MMMMM）
            strncpy(GPS_Data.latitude, field[3], 11);
            GPS_Data.latitude[11] = '\0';
            // 纬度方向（field[4]：N/S）
            GPS_Data.lat_dir = field[4][0];
            
            // 经度（field[5]：DDDMM.MMMMM）
            strncpy(GPS_Data.longitude, field[5], 12);
            GPS_Data.longitude[12] = '\0';
            // 经度方向（field[6]：E/W）
            GPS_Data.lon_dir = field[6][0];
            
            // 地面速度（field[7]：节）
            strncpy(GPS_Data.speed, field[7], 5);
            GPS_Data.speed[5] = '\0';
            
            // 日期（field[9]：DDMMYY）
            strncpy(GPS_Data.date, field[9], 6);
            GPS_Data.date[6] = '\0';
        }
    }

    // 4. 清空缓冲区，准备接收下一帧数据
    memset(GPS_Recv_Buf, 0, sizeof(GPS_Recv_Buf));
    GPS_Recv_Len = 0;
}

// 可选功能：经纬度度分格式→十进制格式（便于直接计算距离等）
// 例：纬度3026.12345 → 30 + 26.12345/60 = 30.43539°
void GPS_Convert_Decimal(void) {
    float lat_deg, lat_min, lat_dec;
    float lon_deg, lon_min, lon_dec;
    
    if (GPS_Data.fix_status == 1) {
        // 解析纬度（DDMM.MMMMM → 度+分）
        sscanf(GPS_Data.latitude, "%2f%f", &lat_deg, &lat_min);
        lat_dec = lat_deg + (lat_min / 60.0f);  // 十进制纬度
        
        // 解析经度（DDDMM.MMMMM → 度+分）
        sscanf(GPS_Data.longitude, "%3f%f", &lon_deg, &lon_min);
        lon_dec = lon_deg + (lon_min / 60.0f);  // 十进制经度
        
        // 可将lat_dec、lon_dec存储到新变量，或覆盖原结构体（按需修改）
        printf("十进制纬度：%.5f%c\n", lat_dec, GPS_Data.lat_dir);
        printf("十进制经度：%.5f%c\n", lon_dec, GPS_Data.lon_dir);
    }
}

3. 主函数调用（main.c）

复制代码

#include "main.h"
#include "usart.h"
#include "gpio.h"
#include "gps.h"
#include "oled.h"

void SystemClock_Config(void);  // 系统时钟配置（STM32CubeMX生成）

int main(void) {
    // 1. 初始化HAL库
    HAL_Init();
    // 2. 系统时钟配置（按需修改，STM32F103默认72MHz）
    SystemClock_Config();
    // 3. 外设初始化（USART1、GPIO、OLED）
    MX_GPIO_Init();
    MX_USART1_UART_Init();
    OLED_Init();  // 初始化OLED显示屏
    // 4. GPS初始化
    GPS_Init();

    // 5. 主循环
    while (1) {
        // 每1秒解析一次GPS数据（GPS模块默认1Hz输出）
        HAL_Delay(1000);
        
        // 解析NMEA数据
        GPS_Parse_NMEA();
        
        // 在OLED上显示GPS信息（需适配自身OLED的显示函数）
        OLED_Clear();  // 清屏
        if (GPS_Data.fix_status == 1) {
            // 显示定位有效信息
            OLED_ShowString(0, 0, "GPS Fix: YES");
            OLED_ShowString(0, 2, "Time: ");
            OLED_ShowString(48, 2, GPS_Data.time);  // 显示时间HHMMSS
            OLED_ShowString(0, 4, "Lat: ");
            OLED_ShowString(32, 4, GPS_Data.latitude);
            OLED_ShowChar(112, 4, GPS_Data.lat_dir);
            OLED_ShowString(0, 6, "Lon: ");
            OLED_ShowString(32, 6, GPS_Data.longitude);
            OLED_ShowChar(112, 6, GPS_Data.lon_dir);
        } else {
            // 显示未定位
            OLED_ShowString(0, 0, "GPS Fix: NO");
            OLED_ShowString(0, 2, "Searching...");
        }
        
        // 可选：打印十进制经纬度到串口
        GPS_Convert_Decimal();
    }
}

三、关键说明与适配修改

1. 依赖文件补充

usart.c：需通过 STM32CubeMX 配置 USART1，生成 HAL 库初始化代码（波特率 9600，开启接收中断）；
oled.c：需适配自身 OLED 模块（如 0.96 寸 I2C/SPI），提供OLED_Init()、OLED_Clear()、OLED_ShowString()等基础显示函数（网上可搜对应驱动）。

2. 常见问题修改

波特率不匹配：若 GPS 模块默认波特率为 115200，需修改MX_USART1_UART_Init()中的huart1.Init.BaudRate = 115200；
解析失败：检查GPS_StrSplit函数的字段索引是否正确（不同 GPS 模块的 NMEA 帧字段顺序一致，若缺失字段需增加异常处理）；
定位慢：首次搜星需静置 2-3 分钟，可在代码中增加 "搜星超时处理"（如 3 分钟未定位则复位模块）。

3. 功能扩展

SD 卡存储：添加 SD 卡驱动（如 SPI 接口），在GPS_Parse_NMEA()中将 GPS 数据写入 SD 卡日志文件（格式：时间，纬度，经度，速度，日期）；
数据上传：通过 GSM/NB-IoT 模块（如 SIM800C），将解析后的经纬度通过 GPRS/MQTT 协议上传到服务器；
低功耗优化：在main.c中添加模块休眠逻辑（如定位完成后，通过 GPIO 关闭 GPS 模块电源，5 秒后唤醒重新定位）。

四、调试工具

串口助手：连接 STM32 的 USART1，查看 GPS 原始 NMEA 数据和解析后的十进制经纬度；
U-center（Ublox 模块专用）：可配置 GPS 模块参数（如更新率、开启多系统定位），辅助排查模块工作状态。