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2016/09/25

Raspberry Pi3のシリアルポート UARTに VK16Eの GPSモジュールを接続する方法 Raspberry Pi3のシリアルポート UARTに VK16Eの GPSモジュールを接続する方法

(ラズパイで V.KEL VK16E、シリアル接続の GPSモジュールを接続する方法)

Tags: [Raspberry Pi], [電子工作]






● Raspberry Pi 3 Model Bを遂に購入

 Raspberry Pi3 Model B RPI2 RPI3

 大人気の CPUボードの Raspberry Piに WiFiと Bluetoothが搭載されたモデルが新発売となりました。
 以前から Raspberry Pi 2を買おうかどうか迷っていましたが、Raspberry Pi 3 Model Bの発売を機に購入を決意してラズベリアンになる事にしました。

 ※ ラズパイの OS Raspbianはバージョンが上がる毎に過去の版と OSの内部の作りが変わり、過去に書かれた製作記事(例えば Raspbian Wheezyの時代の記事)がそのままではエラーが出たりして動かない事が有ります。
 ※ 当方のホームページのラズパイ記事は全て Raspberry Pi 3 Model Bと Raspbian Jessieの組み合わせで動作確認をしております。
(ただし、将来的に新しい Raspbian OSが出た場合に、当方の Raspbian Jessieを基にした内容がそのままでは動かない可能性が有ります。)
 ※ 2017/08/16から Raspbian OSは Raspbian Jessieから Raspbian Stretchに変わりました。

Download Raspbian for Raspberry Pi

ちなみに、歴代のバージョンと名称は
Debianコードネーム年月備考
Debian 9Stretch2017/08/16~
Debian 8Jessie2015~2016/02からラズパイ3対応
Debian 7Wheezy2013~2016
Debian 6.0Squeeze2011~2014
Debian GNU/Linux 5.0Lenny2009~2012


V.KEL VK16E、シリアル接続の GPSモジュールの使用方法

V.KEL VK16E SIRF3チップ使用、アンテナ一体型 GPUモジュール
 深圳市微科通讯设备有限公司製 GMOUSE GPS模组 SIRF3芯片 陶瓷天线 TTL信号 9600波特率
V.KEL VK16Eの規格書 PDF

 GPS処理 IC SiRF star III SiRF Technology(現 CSR)
Wikipedia SiRFstarIII
http://www.sirf.com/products/gps_chip.html GPS Chip Solutions リンク切れ
GSC3LPProductInsert.pdf
GSC3f-LP SDKProductInsert.pdf
GSC3f-LP GSW3 EVK Product Insert.pdf
現行チップ SiRFstarV 5e

 動作電圧 +3.3V - +5.0V, 55mA
 I/O電圧 +0V - +3.0V(+3.3V系ロジックに接続可能)
 シルアルボーレート 9600bps N81
 コマンド設定で 1200~921600bps、パリティ無し、偶数、奇数、ストップビット 1、2を設定可能。
 出力フォーマット NMEA 0183 V3.0(GGA, GSA, GSV, RMC, VTG, GLL)
 NMEAの標準ボーレートは 4800bpsですが、V.KEL VK16Eの出荷時設定は 9600bpsになっています。

Wikipedia NMEA 0183

 使用時の注意:必ず天井が無い天空が見える場所で使用する事。窓際に置いても天井が GPS衛星の受信の障害になるので測位しません。
 使用時の注意:窓際(ガラス窓に室内から貼り付け状態)でも測位しました。
 およそ 1分程度で測位します。

 下記のキーワードで PDFをググルと吉。
SiRF NMEA Reference Manual
SiRF Binary Protocol Reference Manual

 V.KEL VK16Eの実際の出力例(測定数値一部加工済み)
$GPGGA,112800.143,3540.0000,N,13950.0000,E,1,03,4.3,-39.3,M,39.3,M,,0000*4C
$GPGSA,A,2,20,15,21,,,,,,,,,,4.5,4.3,1.0*31
$GPGSV,3,1,11,20,88,321,30,15,67,324,32,21,38,285,30,10,68,334,*7D
$GPGSV,3,2,11,31,66,152,,02,41,242,,24,37,206,,18,28,321,28*72
$GPGSV,3,3,11,16,22,078,,28,19,169,,13,01,067,27*4B
$GPRMC,112800.143,A,3540.0000,N,13950.0000,E,0.23,180.00,210916,,,A*63
$GPVTG,181.00,T,,M,0.23,N,0.4,K,N*0F

 V.KEL VK16Eのボーレート変更コマンド、最後は[CR][LF]で送信する。
 115200bps,N81に設定する(即時反映され、電源を切っても覚えている)
$PSRF100,1,115200,8,1,0*05[CR][LF]

 9600bps,N81に設定する(即時反映され、電源を切っても覚えている)
$PSRF100,1,9600,8,1,0*0D[CR][LF]

 V.KEL VK16Eを工場出荷の初期状態にリセットする(良く解らないのでリセット指定パラメータを全て指定している)

 V.KEL VK16E GPS module Factory reset command
$PSRF101,-2686700,-4304200,3851624,96000,497260,921,12,1*2D
$PSRF101,-2686700,-4304200,3851624,96000,497260,921,12,2*2E
$PSRF101,-2686700,-4304200,3851624,96000,497260,921,12,3*2F
$PSRF101,-2686700,-4304200,3851624,96000,497260,921,12,4*28
$PSRF101,-2686700,-4304200,3851624,96000,497260,921,12,8*24

$PSRF104,37.3875111,-121.97232,0,96000,237759,1946,12,1*06
$PSRF104,37.3875111,-121.97232,0,96000,237759,1946,12,2*05
$PSRF104,37.3875111,-121.97232,0,96000,237759,1946,12,3*04
$PSRF104,37.3875111,-121.97232,0,96000,237759,1946,12,4*03
$PSRF104,37.3875111,-121.97232,0,96000,237759,1946,12,8*0F

 間違って SiRFバイナリ フォーマット モードに設定しちゃった場合の NMEAフォーマット(ASCII)に戻すバイナリモード用のコマンド、2文字ずつバイナリにして、最後は[CR][LF]で送信する。
A0A20018810201010001010105010101000100010001000100012580013AB0B3
 バイナリ送信時は AcknowRichが便利。
AcknowRich

 V.KEL VK16E GPS module Debug On
$PSRF105,1*3E

 V.KEL VK16E GPS module Debug Off
$PSRF105,0*3F

 NMEAコマンドのチェックサム自動計算オンラインサービス JavaScript
NMEA checksum calculator

SirfTechいじくりツール(リンク切れ)
http://w5.nuinternet.com/s660100031/SirfTech.htm
SirfTech.2009-11-17.v2.23.zip
 でググル。
VirusTotal SirfTech.exe
SHA256: 3ebc52be0d4c31a963b9fc0b276f2cdbb008be9d526a2335df0a9aef20952e14
ファイル名: SirfTech.exe
検出率: 0 / 57


● VKEL VK16Eの GPSモジュールの外観写真

 UARTによるシリアル接続で制御します。

・V.KEL VK16E、SiRF3シリアル接続の GPSモジュール
V.KEL VK16E、SiRF3シリアル接続の GPSモジュール


・V.KEL VK16E、SiRF3シリアル接続の GPSモジュル
V.KEL VK16E、SiRF3シリアル接続の GPSモジュル


・V.KEL VK16E、SiRF3シリアル接続の GPSモジュール
V.KEL VK16E、SiRF3シリアル接続の GPSモジュール


・V.KEL VK16E、SiRF3シリアル接続の GPSモジュール
V.KEL VK16E、SiRF3シリアル接続の GPSモジュール


・V.KEL VK16E、SiRF3シリアル接続の GPSモジュール
V.KEL VK16E、SiRF3シリアル接続の GPSモジュール




●ラズパイ3の UARTシリアル端子に VKEL VK16Eの GPSモジュールを接続して位置情報を測位する方法

ラズパイ3の UARTシリアル端子に VKEL VK16Eの GPSモジュールを接続して位置情報を測位する方法

 Adafruit GPS HATは PPS信号を GPIO4に接続している。
 (下記の接続図では PPS信号は未接続です。)

・ラズパイ3の UARTシリアル端子に VKEL VK16Eの GPSモジュールを接続して位置情報を測位する方法
ラズパイ3の UARTシリアル端子に VKEL VK16Eの GPSモジュールを接続して位置情報を測位する方法

 (送信を相手の受信側に接続するのは意味が分かると思います。野球に例えるとピッチャー(送信)とキャッチャー(受信)の関係になります。ピッチャー(送信)同士を接続するとボールが衝突してしまい、キャッチャー(受信)同士だとボールを投げる人が居ません。)
・UARTシリアル通信の Txと Rxの接続概念図
UARTシリアル通信の Txと Rxの接続概念図
 緑チーム = VK16E GPSモジュール側
 赤チーム = ラズパイ側


●ラズパイ3のシリアルポートをアプリ側から使用する方法

 シリアルポートをコンソールとして使用する方法は以前に書きましたが、今回はアプリ側から使用する方法を書きます。
 シリアルコンソール機能を殺してアプリ側から使用出来る様にします。
 ラズパイ3の場合は /dev/ttyS0を使用します。
 Raspberry PI 3 Serial
 /dev/ttyS0
 GPIO14 TxD UART
 GPIO15 RxD UART

sudo nano /boot/cmdline.txt
console=serial0,115200
 を削除する。

sudo nano /boot/config.txt
enable_uart=1
 を追加する。

# 再起動する
sudo reboot

 上記の設定をコマンドラインのコピペでサクッと設定する方法。
# cmdline.txtファイルをローカルにコピーする
cp /boot/cmdline.txt .

# sedコマンドで gpu_mem設定行を削除する
sed -i -e "s/console=serial0,115200//" cmdline.txt

# cmdline.txtファイルを /boot/にコピーする
sudo cp cmdline.txt /boot/

# grepで設定値と設定内容を確認する。
cat /boot/cmdline.txt

# enable_uart=1
# config.txtファイルをローカルにコピーする
cp /boot/config.txt .

# enable_uart設定行を追加する
echo "" >> config.txt
echo "# Enable UART" >> config.txt
echo "enable_uart=1" >> config.txt

# config.txtファイルを /boot/にコピーする
sudo cp config.txt /boot/

# grepで設定値と設定内容を確認する。
cat /boot/config.txt | grep enable_uart

# 再起動する
sudo reboot


●ラズパイで UARTシリアル通信をする pythonのサンプルプログラム

※ 下記のサンプル類は屋内で動かしたので GPS測位をしていません。

# シリアル通信の動作確認。
# VKEL GPSモジュールと接続が正しいと catコマンドで受信した通信内容を表示出来ます。
stty -F /dev/ttyS0 raw 9600 cs8 clocal -cstopb
cat /dev/ttyS0

$GPGGA,110546.149,,,,,0,00,,,M,0.0,M,,0000*5D
$GPRMC,110546.149,V,,,,,,,060517,,,N*43
$GPVTG,,T,,M,,N,,K,N*2C
$GPGGA,110547.156,,,,,0,00,,,M,0.0,M,,0000*52
$GPGSA,A,1,,,,,,,,,,,,,,,*1E


●ラズパイで UARTシリアル通信をする pythonのサンプルプログラム

# ラズパイで UARTシリアル通信をする pythonのサンプルプログラム

# pigpiodを有効にする
sudo pigpiod

# uart_test.pyファイルを作成する(下記の内容をコピペ)
nano uart_test.py

# uart_test.pyファイルを実行する
python uart_test.py

# uart_test.py

import pigpio
import time

pi = pigpio.pi()

if not pi.connected:
   exit()

uart0 = pi.serial_open("/dev/ttyS0", 9600, 0)

# pi.serial_write(uart0, "Hello ! Serial !")

while True:
    time.sleep(1)
    rdy = pi.serial_data_available(uart0)
    if rdy > 0:
        (b, d) = pi.serial_read(uart0, rdy)
        print(d)

pi.serial_close(uart0)

# 実行例
python uart_test.py

$GPGGA,110003.155,,,,,0,00,,,M,0.0,M,,0000*54
$GPRMC,110003.155,V,,,,,,,060517,,,N*4A
$GPVTG,,T,,M,,N,,K,N*2C


●ラズパイで gpsdライブラリを使用してコマンドラインで GPSで測位する方法

sudo apt-get -y install gpsd gpsd-clients python-gps
sudo systemctl stop gpsd.socket
sudo systemctl disable gpsd.socket
sudo gpsd /dev/ttyS0 -F /var/run/gpsd.sock
cgps -s

gpsmon

sudo nano /etc/default/gpsd
DEVICES="/dev/ttyS0"
GPSD_OPTIONS="-n"
GPSD_SOCKET="/var/run/gpsd.sock"

sudo systemctl enable gpsd.socket
sudo systemctl start gpsd.socket

sudo killall gpsd
sudo gpsd /dev/ttyS0 -F /var/run/gpsd.sock

cgps -s
lqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqklqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqk
x    Time:       n/a                        xxPRN:   Elev:  Azim:  SNR:  Used: x
x    Latitude:   n/a                        xx  13    61    245    00      N   x
x    Longitude:  n/a                        xx  27    55    133    00      N   x
x    Altitude:   n/a                        xx   9    32    247    00      N   x
x    Speed:      n/a                        xx  11    39    063    00      N   x
x    Heading:    n/a                        xx   8    15    157    00      N   x
x    Climb:      n/a                        xx  23    32    212    00      N   x
x    Status:     NO FIX (4 secs)            xx  28    21    014    00      N   x
x    Longitude Err:   n/a                   xx  19    25    142    29      N   x
x    Latitude Err:    n/a                   xx  17    15    222    21      N   x
x    Altitude Err:    n/a                   xx  20    02    020    00      N   x
x    Course Err:      n/a                   xx   4    -9    326    00      N   x
x    Speed Err:       n/a                   xx  29    -15    210    00      N  x
x    Time offset:     n/a                   xx                                 x
x    Grid Square:     n/a                   xx                                 x
mqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqjmqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqj
 測位時(測定数値一部加工済み)
lqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqklqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqk
x    Time:       2016-11-07T06:06:11.000Z   xxPRN:   Elev:  Azim:  SNR:  Used: x
x    Latitude:    30.123454 N               xx   7    13    284    33      Y   x
x    Longitude:  130.123854 E               xx  14    25    305    27      Y   x
x    Altitude:   -72.4 m                    xx  17    13    210    28      Y   x
x    Speed:      0.0 kph                    xx  23    71    331    24      Y   x
x    Heading:    0.0 deg (true)             xx                                 x
x    Climb:      0.0 m/min                  xx                                 x
x    Status:     3D FIX (14 secs)           xx                                 x
x    Longitude Err:   +/- 137 m             xx                                 x
x    Latitude Err:    +/- 20 m              xx                                 x
x    Altitude Err:    +/- 251 m             xx                                 x
x    Course Err:      n/a                   xx                                 x
x    Speed Err:       +/- 993 kph           xx                                 x
x    Time offset:     -1.643                xx                                 x
x    Grid Square:     PM95wr                xx                                 x
mqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqjmqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqj

gpsmon
tcp://localhost:2947          SiRF>
lqqqqqqqqqqq X qqqqqq Y qqqqqq Z qqqqqqqqqq North qqqq East qqqqq Alt qqqqqqqqqk
xPos:        0        0        0 m      180.00000f  0.00000f -6378137 m        x
xVel:      0.0      0.0      0.0 m/s         -0.0       0.0       0.0 climb m/sx
xTime: 2006-11-04T11:29:37.760Z Leap: ??     Heading: 180.0f      0.0 speed m/sx
xFix:  0 =                                            HDOP: 0.0  M1: 00  M2: 00x
mqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqq Packet type 2 (0x02) qqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqj
l Measured Tracker qqqqqqqqqqkl Firmware Version qqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqk
xCh PRN  Az El Stat  C/N ? SFxx                                                x
x 0   0   0  0 0000  0.0     xmqqqqqqq Packet Type 6 (0x06) qqqqqqqqqqqqqqqqqqqj
x 1   0   0  0 0000  0.0     xl CPU Throughput qqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqk
x 2   0   0  0 0000  0.0     xxMax: 158.270Lat: 139.012Time: 0.075   MS:  0    x
x 3   0   0  0 0000  0.0     xmqqqqqqq Packet type 9 (0x09) qqqqqqqqqqqqqqqqqqqj
x 4   0   0  0 0000  0.0     xl Clock Status qqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqk
x 5   0   0  0 0000  0.0     xxSVs:    Drift:        Bias:                     x
x 6   0   0  0 0000  0.0     xxEst. GPS Time:            PPS offset:           x
x 7   0   0  0 0000  0.0     xmqqqqqqq Packet type 7 (0x07) qqqqqqqqqqqqqqqqqqqj
x 8   0   0  0 0000  0.0     xl Visible List qqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqk
x 9   0   0  0 0000  0.0     xx                                                x
x10   0   0  0 0000  0.0     xmqqqqqqq Packet type 13 (0x0D) qqqqqqqqqqqqqqqqqqj
x11   0   0  0 0000  0.0     xl DGPS Status qqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqk
mqqq Packet Type 4 (0x04) qqqjx    SBAS = 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12           x
                              mqqqqqqq Packet type 27 (0x1B) qqqqqqqqqqqqqqqqqqj
 測位時(測定数値一部加工済み)
tcp://localhost:2947          SiRF>
lqqqqqqqqqqq X qqqqqq Y qqqqqq Z qqqqqqqqqq North qqqq East qqqqq Alt qqqqqqqqqk
xPos: -35.2147  3247933  3753176 m       30.12345f130.12385f      -36 m        x
xVel:      0.0      0.0      0.0 m/s          0.0      -0.0       0.0 climb m/sx
xTime: 2016-11-07T06:08:06.000Z Leap: ??     Heading:  -0.0f      0.0 speed m/sx
xFix:  4 =  9  7 23 27                                HDOP: 2.2  M1: 14  M2: 02x
mqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqq Packet type 2 (0x02) qqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqj
l Measured Tracker qqqqqqqqqqkl Firmware Version qqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqk
xCh PRN  Az El Stat  C/N ? SFxx                                                x
x 0   7 284 13 00bf 33.8 T   xmqqqqqqq Packet Type 6 (0x06) qqqqqqqqqqqqqqqqqqqj
x 1  14 305 25 00ad 24.4     xl CPU Throughput qqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqk
x 2   0   0  0 0000  0.0     xxMax: 162.147Lat: 134.327Time: 0.075   MS:  0    x
x 3  17 210 12 00bf 31.1 T   xmqqqqqqq Packet type 9 (0x09) qqqqqqqqqqqqqqqqqqqj
x 4   0   0  0 0000  0.0     xl Clock Status qqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqk
x 5   0   0  0 0000  0.0     xxSVs:    Drift:        Bias:                     x
x 6   0   0  0 0000  0.0     xxEst. GPS Time:            PPS offset:           x
x 7  23 332 71 00ad 19.9     xmqqqqqqq Packet type 7 (0x07) qqqqqqqqqqqqqqqqqqqj
x 8   0   0  0 0000  0.0     xl Visible List qqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqk
x 9   0   0  0 0000  0.0     xx12 = 27 16 8 26 7 21 11 9 23 18 10 31           x
x10   0   0  0 0000  0.0     xmqqqqqqq Packet type 13 (0x0D) qqqqqqqqqqqqqqqqqqj
x11   0   0  0 0000  0.0     xl DGPS Status qqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqk
mqqq Packet Type 4 (0x04) qqqjx    SBAS = 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12           x
                              mqqqqqqq Packet type 27 (0x1B) qqqqqqqqqqqqqqqqqqj


●ラズパイで python-gpsライブラリを使用して python言語で GPSで測位する方法

wolfg1969/gps_demo.py - python-gps sample codes

wget https://gist.github.com/wolfg1969/4653340/raw/142eb5746619257b0cd4e317fd8f5fd63ddf2022/gps_demo.py

python gps_demo.py

Traceback (most recent call last):
File "gps_demo.py", line 7, in
session.query('admosy')
AttributeError: gps instance has no attribute 'query'


wget https://gist.github.com/wolfg1969/4653340/raw/142eb5746619257b0cd4e317fd8f5fd63ddf2022/gpsdData.py

python gpsdData.py
 GPS reading
----------------------------------------
latitude     nan
longitude    nan
time utc     2026-06-20T11:36:27.360Z  +  1781955387.36
altitude (m) nan
eps          nan
epx          nan
epv          nan
ept          0.005
speed (m/s)  nan
climb        nan
track        nan
mode         1

sats         []
 測位時(測定数値一部加工済み)
 GPS reading
----------------------------------------
latitude     30.123454179
longitude    130.123851654
time utc     2016-11-07T06:10:23.000Z  +  1494137423.0
altitude (m) -46.509
eps          277.8
epx          157.35
epv          221.431
ept          0.005
speed (m/s)  0.0
climb        0.0
track        0.0
mode         3



● Adafruit GPS HATのサンプル。

 Adafruit GPS HATのサンプル。

Adafruit Ultimate GPS HAT for Raspberry Pi

 PPS = GPIO4


●あとがき

 組み込み等の条件が許せば、シリアル接続の GPSモジュールよりも Androidスマホに GPSアプリを作って入れて WiFi経由で GPSの測位データのパケットをブロードキャストする様な物の方が扱いやすいのではと思います。
 Androidスマホなら屋内でもある程度の測位を行なえます。
 VKEL VK16E GPSモジュールは完全に空が見える場所かギリ窓際でしか測位を行なえません。


●シリアル接続の GPSモジュールの購入方法

 シリアル接続の GPSモジュールは秋月やアマゾンでも購入出来ます。


HiLetgo NEO6M GPS U-blox NEO-6M V2フライト・コントロールGPSモジュール EPROM MWC APM2.5アンテナと付属
ASIN: B01HTC52ZO
PPS出力無し

HiLetgo NEO6M U-blox MV2 Flight コントローラー NEO-6M APM 2.5 GPSモジュール For Arduino EEPROM
ASIN: B01D1D0F5M
PPS出力無し

ビット・トレード・ワン Raspberry Pi用GPS拡張ボード ADRPM1702P「組立済み」
ASIN: B01MSADQ7Y
2017年2月15日発売のラズパイマガジン(日経BP社)
秋月電子通商
GPS受信機キット 1PPS出力付き 「みちびき」対応 [AE-GYSFDMAXB]
通販コード K-09991


みちびき(準天頂衛星システム:QZSS)公式サイト - 内閣府
 みちびき(準天頂衛星システム)とは、準天頂軌道の衛星が主体となって構成されている日本の衛星測位システムのことで、英語ではQZSS(Quasi-Zenith Satellite System)と表記します。

Wikipedia - 準天頂衛星システム



Tags: [Raspberry Pi], [電子工作]

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