基于嵌入式Linux的LCD背光調節(jié)及驅動實現(xiàn)

　　在手持式設備中，液晶顯示屏的使用越來越廣泛。由于LCD自身是不能發(fā)光的，它需要一個強勁的光源來給它提供背光，以便清晰地顯示信息。這樣的光源是非常耗電的，通常液晶顯示屏的功耗常常占到系統(tǒng)總功耗的60%以上。以群創(chuàng)的7寸屏為例，通常背光燈的功耗為2.5W,而LCD的功耗只有0.825W。由此可見，背光光源的功耗在整個電源中的比重是相當高的。如果系統(tǒng)在不用顯示屏時，也全功率的運行，系統(tǒng)的電池能量將很快被耗光。所以，調節(jié)LCD的背光源，降低系統(tǒng)在不用顯示屏時的能耗是十分必要的工作。

　　另外，由于手持式設備工作環(huán)境的變化，也需要根據外界光線強度的變化，對背光的亮度做出相應的調節(jié)，以適合人眼觀看的舒適度。

　　基于上述2種原因，考慮到設備功耗的降低以及使用的便利性，本文在嵌入式Linux下，設計了一種使用S3C2440的定時器產生PWM （Pulse Width Modulation）信號，根據設備實際使用需要，和外界光線強度的變化用按鍵調節(jié)LCD背光亮度的解決方案。

　　1 基于PWM 的背光調節(jié)原理

　　在中小尺寸液晶顯示屏中，一般采用白光LED作為顯示屏的背光光源。PWM 即脈寬調制，PWM 調光就是利用人眼的視覺暫停原理，以一定的頻率和占空比的方波來控制LED的導通。LED正向電流在零電流到額定工作電流之間來回切換，通過高速開關背光，周期循環(huán)地提供不同占空比的方波，實現(xiàn)亮度的調節(jié)。只要導通時LED正向電流大小是恒定的，發(fā)出的白光就不會發(fā)生色偏，而且只要頻率大干100Hz,人眼看到的將是連續(xù)的光源。

　　圖1是脈寬調制信號的波形。假設高電平代表打開背光，低電平代表關閉背光，背光打開和關閉時間的比例不同會得到不同占空比的方波。從輸出的波形來看，波的平均功率是不一樣的，這樣就得到了不同的亮度，實現(xiàn)了背光的調節(jié)。

圖1 PWM 的波形

　　2 背光調節(jié)的硬件實現(xiàn)方案

　　S3C2440[4]是三星公司推出的一款基于ARM920T內核的16/32位RISC嵌入式微處理器。其內部有5個16位的定時器，其中前4 個定時器（TOUT0~TOUT3）具有PWM 功能，第5個定時器（TOUT4）是一個沒有輸出引腳的內部定時器，另外定時器TOUT0有一個死區(qū)發(fā)生器，通常用于大電流設備控制。

　　PWM 信號可以用硬件產生，也可以由軟件產生。由于用軟件定時產生PWM 信號外圍電路簡單，脈沖寬度精度高，控制靈活，所以本方案用S3C2440的定時器TOUT1,軟件定時產生PWM 信號，通過改變TOUT1端口GPB1輸出脈沖信號占空比，控制背光的開關。LCD背光調節(jié)電路如圖2所示。

圖2 LCD背光調節(jié)電路圖

　　圖2中ZXLD1100是一個電感式的PFM（PulseFrequency Modulation）升壓轉換器，用于驅動白光LED.當LCD正常工作時，ZXLD1100的EN 端被置高電平時，輸出端將得到驅動LCD背光源所需的工作電壓。將S3C2440的端口GPB1與ZXLD1100的使能端相連，通過PWM 信號使能ZXLD1100,可以使LCD背光工作在較低的功率下。

　　圖2中按鍵S1_KEY用于調高背光亮度，S2_KEY用于調低背光亮度。S1_KEY和S2_KEY所用到的外部中斷分別是EINT0和EINT13.當按鍵按下時，系統(tǒng)根據傳入的按鍵編號控制GPB1輸出PWM 信號占空比，由此完成了對設備背光的軟件控制，實現(xiàn)背光亮度的調節(jié)。

　　3 背光調節(jié)的軟件設計

　　背光調節(jié)的軟件部分主要是驅動程序的設計，設備驅動程序是連接硬件和操作系統(tǒng)內核的橋梁，它為應用程序屏蔽了硬件的細節(jié)，應用程序將使用統(tǒng)一的系統(tǒng)調用接口來訪問設備。Linux系統(tǒng)將設備分為3種基本類型，即字符設備、塊設備和網絡設備。本文涉及的背光驅動屬于字符設備驅動程序。采用Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)，內核版本為Linux 2.6.32,根文件系統(tǒng)采用Yaffs2,應用程序采用了Busybox.背光驅動程序的工作流程框圖如圖3所示。

圖3 背光驅動程序工作流程框圖

　?。?）當加載驅動時，調用初始化函數s3c_bl_pwm_init（）。該函數會調用request_irq（）函數來注冊中斷。

　　request_irq（）會操作中斷描述符數組button_irqs.中斷描述符數組的主要功能是記錄中斷號對應的按鍵編號和GPIO端口。

　?。?）當中斷到來時，會到中斷描述符數組button_irqs中查詢中斷號對應的按鍵編號。然后調用中斷處理函數等操作調節(jié)設備背光。

　?。?）當卸載驅動時，調用退出函數s3c_bl_pwm_exit（）。該函數中會調用free_irq（），操作中斷描述符數組button_irqs,釋放設備所使用的中斷號并刪除對應中斷處理函數。

　　3.1 背光驅動的初始化和退出函數

　　在加載驅動時，內核調用初始化函數s3c_bl_pwm_init（）。首先初始化LCD背光亮度，設置按鍵中斷觸發(fā)方式，注冊中斷。然后初始化定時器，設置按鍵初始狀態(tài)為抬起（KEY_UP）。最后使用misc_register（）向內核注冊混雜設備，混雜設備是字符設備的抽象。背光驅動中混雜設備的定義如下：

　　在卸載驅動時，內核調用退出函數s3c_bl_pwm_exit（），注銷中斷和混雜設備，完成和初始化函數相反的行為。

　　3.2 按鍵中斷和定時器處理程序

　　當按鍵被按下后，將發(fā)生快速中斷，觸發(fā)中斷處理程序buttons_interrupt（）。在中斷處理程序中，當按鍵初始狀態(tài)為抬起（KEY_UP）時，把按鍵狀態(tài)設置為不確定（KEY_DOWNX），然后啟動定時器延時去抖，進入定時器處理函數。如果當前按鍵初始狀態(tài)不是抬起則退出中斷處理程序。在定時器處理程序中，讀取按鍵GPIO端口電平，查詢按鍵是否仍然被按下。如果按鍵仍被按下且按鍵狀態(tài)是不確定（KEY_DOWNX），則標識當前按鍵狀態(tài)為按下（KEY_DOWN）。同時延時一個相對去抖更長的時間，啟動一個新的定時器，每次定時器到期后，查詢按鍵是否仍然被按下且按鍵狀態(tài)為按下（KEY_DOWN），如果是，則重新啟動新的定時器；若查詢到已經沒有按下，則標識按鍵狀態(tài)為抬起，這時候應該等待新的按鍵中斷。每次標識按鍵狀態(tài)為按下（KEY _DOWN）時，應該調用背光調節(jié)函數bl_handler（）依據傳入的按鍵編號調節(jié)背光亮度。按鍵中斷和定時器處理函數的流程如圖4所示。

圖4 按鍵中斷和定時器處理函數的流程圖

　　3.3 PWM 設置函數

　　PWM 定時器中有2個寄存器TCNTBn和TCMPBn,分別為定時器計數緩存寄存器和定時器比較緩存寄存器[10].TCNTBn用來設置PWM 輸出脈沖頻率，TCMPBn的值用于設置PWM 信號占空比。因此通過寫入不同的TCMPBn的數值，就可以調節(jié)輸出信號占空比，實現(xiàn)PWM 功能，即：要減小PWM 的脈寬，則要減小TCMPBn值，相反要增大PWM 的脈寬，則要增大TCMPBn.如果使用了反相器，則增大和減小的結果相反，雙緩沖特性允許定時器在工作時改寫TCMPBn的值。

　　PWM 設置函數pwm_set_duty（）根據傳入參數改寫TCMPBn的值，可以實時地改變輸出波形。PWM設置函數設置定時器TOUT1端口GPB1的PWM 功能操作步驟如下：

　?。?）使能系統(tǒng)PCLK 時鐘源，獲取總線時鐘頻率值。設置定時器TOUT1的時鐘預分頻值和分頻值，分別寫入定時器配置寄存器TCFG0和TCFG1;（2）寫入初始值到比較緩存寄存器TCMPB1和計數緩存寄存器TCNTB1;（3）設置定時器控制寄存器TCON.使能定時器TOUT1的自動重載位，關閉反相器，開啟手動更新位，啟動定時器TOUT1.在定時器延時等待一定時間后定時器的下降計數器開始計數；（4）清除定時器TOUT1的手動更新位，手動更新位必須在下次寫前被清除。

　　4 測試結果與分析

　　將驅動程序編譯后加載到內核測試，設定PWM 輸出頻率為200Hz,高電平比例為1/3的波形，通過示波器看到GPB1端口所輸出波形如圖5所示。

圖5 GPB1輸出波形

　　通過測試，可以得到如表1所示的該手持式設備功耗與背光亮度相關的數據。

表1 系統(tǒng)不同背光亮度的功耗對比表