Learning Objectives
- 說明 UART 的接線方式（TX 接 RX、共地），以及兩端鮑率必須相同的原因
- 由鮑率估算傳送一段資料需要多少時間
- 用 machine.UART 送出資料，並用 any()、readline() 在不卡住程式的情況下接收
- 解析 GPS 模組送來的 NMEA 語句，取出衛星數與經緯度
一個位元接一個位元地傳
上一課的 I2C 有一條時脈線，控制端用時脈告訴大家「現在讀這個位元」。UART（Universal Asynchronous Receiver-Transmitter） 沒有時脈線，是非同步的：雙方事先約定好速度，各自計時。GPS 模組、藍牙序列模組、指紋辨識模組， 還有你用 USB 線連到電腦的 REPL，都是 UART。
這一課要回答：
- UART 怎麼接線？兩端要約定什麼？
- MicroPython 怎麼送出與接收資料，而且不讓程式卡住？
- GPS 模組一直送來的一行行文字，要怎麼變成經緯度？
接線：交叉接、要共地
每一端都有 TX（傳送）與 RX（接收）。一端的 TX 要接到另一端的 RX，兩條線交叉：
ESP32 GPS 模組
GPIO17 (TX) ──────▶ RX
GPIO16 (RX) ◀────── TX
GND ─────────────── GND
3.3V ────────────── VCC（依模組規格）
GND 一定要接，雙方的電壓才有共同的參考點。另外要確認模組的訊號電壓：ESP32 的腳位是 3.3V， 接 5V 訊號的模組前要先看規格，必要時加電位轉換。
鮑率與資料框
鮑率（baud rate）是每秒傳幾個位元，雙方必須設成一樣，常見的有 9600、115200。 最常見的格式叫 8N1：每個位元組前面加一個起始位元、後面加一個停止位元，8 個資料位元、不用同位檢查， 所以每傳一個位元組要 10 個位元：
閒置(高) │起始│ b0 b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 │停止│ 閒置…
0 ← 8 個資料位元，低位在前 → 1
9600 鮑率每秒 9600 個位元，也就是每秒最多 960 個位元組。鮑率設錯的話，接收端在錯的時間點讀位元， 收到的就是一堆亂碼。
ESP32 的三組 UART
ESP32 有三組硬體 UART：UART0、UART1、UART2。依 MicroPython 文件，它們的預設腳位是：
| UART0 | UART1 | UART2 | |
|---|---|---|---|
| TX | GPIO1 | GPIO10 | GPIO17 |
| RX | GPIO3 | GPIO9 | GPIO16 |
- UART0 通常接到開發板的 USB 轉序列晶片，給 REPL 與上傳程式用，不要拿來接模組。
- UART1 的預設腳位常和開發板的快閃記憶體衝突，所以建立時最好明確寫出
tx=、rx=。 - 這一課用 UART2（TX＝GPIO17、RX＝GPIO16）。GPIO34～39 只能輸入，只能當 RX。
MicroPython 的 UART 會把收到的位元組先放進接收緩衝區，程式之後再讀：
| 函式 | 作用 |
|---|---|
uart.write(資料) |
送出字串或 bytes，回傳送出的位元組數 |
uart.any() |
緩衝區裡有幾個位元組（0 表示還沒有資料） |
uart.read() |
讀出緩衝區全部的資料（bytes）；沒有資料時回傳 None |
uart.readline() |
讀到換行 \n 為止（包含換行）；沒有資料時回傳 None |
收到的是 bytes，要當字串處理時用 .decode() 轉換。
逐步看：送出指令、讀回應答
很多序列模組用「AT 指令」設定：送出 AT 加換行，模組回 OK。模擬中的模組在 0.12 秒時回應。
注意第 7 行之後時間前進了約 4 毫秒（送 4 個位元組要花的時間），以及 reply 是 bytes 而不是字串。
逐步看：一行一行接收 GPS 資料
GPS 模組開機後會自己一直送資料，通常每秒一組。程式每 0.25 秒看一次緩衝區，有資料才讀一行， 沒有就去做別的事。這是第 07 課「不讓程式卡住」的寫法。
NMEA 語句：GPS 說的話
GPS 模組送出的文字遵守 NMEA 0183 格式：每一句以 $ 開頭、欄位用逗號分隔、* 後面是兩位十六進位的檢查碼，
最後以 \r\n 結束，一句最長 82 個字元。最常用的一種是 GGA（定位資料）：
$GPGGA,023045.00,2458.0870,N,12111.4820,E,1,08,0.9,150.2,M,17.5,M,,*60
[0] [1] [2] [3] [4] [5][6][7] [8] [9]
| 索引 | 內容 | 這一句的值 |
|---|---|---|
| 0 | 語句種類（GP＝GPS、GGA） | $GPGGA |
| 1 | UTC 時間 hhmmss.ss | 02:30:45（臺灣時間要加 8 小時） |
| 2、3 | 緯度 ddmm.mmmm、N／S | 24 度 58.0870 分，北緯 |
| 4、5 | 經度 dddmm.mmmm、E／W | 121 度 11.4820 分，東經 |
| 6 | 定位品質（0＝尚未定位，1＝GPS 定位） | 1 |
| 7 | 使用的衛星數 | 08 |
| 9 | 海拔（公尺） | 150.2 |
度分換算成度：2458.0870 是 24 度 58.0870 分，1 度＝60 分，所以是 24 ＋ 58.0870 ÷ 60 ≈ 24.9681 度。
地圖服務常用的就是這種十進位度數。
檢查碼：把 $ 和 * 之間的每個字元依序做 XOR（^），結果應該等於 * 後面的十六進位數字。
不相等就表示傳輸過程中有字元錯了，這一句要丟掉。
依 Waveshare 的模組說明，常見的 u-blox NEO-6M 模組預設輸出 NMEA、鮑率 9600。
逐步看：解析 GGA，算出經緯度
收到一句之後：轉成字串 → 用逗號切成串列 → 檢查是不是 GGA、有沒有定位 → 換算經緯度。注意 to_degrees 怎麼用 // 把度與分拆開。
小測驗：接線與鮑率
ESP32 和 GPS 模組用 UART 連接，下面哪一種接法正確？
鮑率 9600、格式 8N1（每個位元組 10 個位元），送出 96 個位元組大約要多久？
uart.any() 回傳 0 時呼叫 uart.readline()，會得到什麼？
小測驗：解析 NMEA
下面的程式會印出什麼？
line = "$GPGGA,023045.00,,,,,0,03,99.99,,,,,,*64"
f = line.split(",")
print(len(f), f[6], int(f[7]))
下面的程式會印出什麼？（緯度的度分換算）
v = float("2230.6000")
deg = int(v // 100)
print(round(deg + (v - deg * 100) / 60, 4))
下面的程式計算一句 NMEA 的檢查碼，會印出什麼？
body = "GPS"
c = 0
for ch in body:
c ^= ord(ch)
print("%02X" % c)
重點整理
- UART 沒有時脈線，雙方要設定相同的鮑率；8N1 每個位元組 10 個位元，9600 鮑率每秒約 960 個位元組。
- 接線：TX 接對方的 RX、RX 接對方的 TX，GND 一定要接；注意訊號電壓是 3.3V。
- ESP32 有三組 UART，UART0 留給 REPL；這一課用
UART(2, baudrate=9600, tx=17, rx=16)。 write()送出；any()先看緩衝區有沒有資料，再read()／readline()，收到的是 bytes，用decode()轉字串。- NMEA 語句用逗號分欄位、
*後面是 XOR 檢查碼；GGA 的緯度 ddmm.mmmm 要換算成十進位度數，沒定位時欄位是空的。
下一課讓 ESP32 連上 Wi-Fi，開始和網路上的服務交換資料。