基于嵌入式Linux的LCD背光調節及驅動(dòng)實(shí)現

　　在手持式設備中，液晶顯示屏的使用越來(lái)越廣泛。由于LCD自身是不能發(fā)光的，它需要一個(gè)強勁的光源來(lái)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(jiàn)，背光光源的功耗在整個(gè)電源中的比重是相當高的。如果系統在不用顯示屏時(shí)，也全功率的運行，系統的電池能量將很快被耗光。所以，調節LCD的背光源，降低系統在不用顯示屏時(shí)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(xiàn)強度的變化，對背光的亮度做出相應的調節，以適合人眼觀(guān)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(shí)器產(chǎn)生PWM （Pulse Width Modulation）信號，根據設備實(shí)際使用需要，和外界光線(xiàn)強度的變化用按鍵調節LCD背光亮度的解決方案。

　　1 基于PWM 的背光調節原理

　　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(jué)暫停原理，以一定的頻率和占空比的方波來(lái)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(lái)回切換，通過(guò)高速開(kāi)關(guān)背光，周期循環(huán)地提供不同占空比的方波，實(shí)現亮度的調節。只要導通時(shí)LED正向電流大小是恒定的，發(fā)出的白光就不會(huì )發(fā)生色偏，而且只要頻率大干100Hz,人眼看到的將是連續的光源。

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

圖1 PWM 的波形

　　2 背光調節的硬件實(shí)現方案

　　S3C2440[4]是三星公司推出的一款基于A(yíng)RM920T內核的16/32位RISC嵌入式微處理器。其內部有5個(gè)16位的定時(shí)器，其中前4 個(gè)定時(shí)器（TOUT0~TOUT3）具有PWM 功能，第5個(gè)定時(shí)器（TOUT4）是一個(gè)沒(méi)有輸出引腳的內部定時(shí)器，另外定時(shí)器TOUT0有一個(gè)死區發(fā)生器，通常用于大電流設備控制。

　　PWM 信號可以用硬件產(chǎn)生，也可以由軟件產(chǎn)生。由于用軟件定時(shí)產(chǎn)生PWM 信號外圍電路簡(jiǎn)單，脈沖寬度精度高，控制靈活，所以本方案用S3C2440的定時(shí)器TOUT1,軟件定時(shí)產(chǎn)生PWM 信號，通過(guò)改變TOUT1端口GPB1輸出脈沖信號占空比，控制背光的開(kāi)關(guān)。LCD背光調節電路如圖2所示。

圖2 LCD背光調節電路圖

　　圖2中ZXLD1100是一個(gè)電感式的PFM（PulseFrequency Modulation）升壓轉換器，用于驅動(dòng)白光LED.當LCD正常工作時(shí)，ZXLD1100的EN 端被置高電平時(shí)，輸出端將得到驅動(dòng)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(guò)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(shí)，系統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(shí)現背光亮度的調節。

　　3 背光調節的軟件設計

　　背光調節的軟件部分主要是驅動(dòng)程序的設計，設備驅動(dòng)程序是連接硬件和操作系統內核的橋梁，它為應用程序屏蔽了硬件的細節，應用程序將使用統一的系統調用接口來(lái)訪(fǎng)問(wèn)設備。Linux系統將設備分為3種基本類(lèi)型，即字符設備、塊設備和網(wǎng)絡(luò )設備。本文涉及的背光驅動(dòng)屬于字符設備驅動(dòng)程序。采用Linux作為嵌入式操作系統，內核版本為L(cháng)inux 2.6.32,根文件系統采用Yaffs2,應用程序采用了Busybox.背光驅動(dòng)程序的工作流程框圖如圖3所示。

圖3 背光驅動(dòng)程序工作流程框圖

　?。?）當加載驅動(dòng)時(shí)，調用初始化函數s3c_bl_pwm_init（）。該函數會(huì )調用request_irq（）函數來(lái)注冊中斷。

　　request_irq（）會(huì )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(lái)時(shí)，會(huì )到中斷描述符數組button_irqs中查詢(xún)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設備背光。

　?。?）當卸載驅動(dòng)時(shí)，調用退出函數s3c_bl_pwm_exit（）。該函數中會(huì )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(dòng)的初始化和退出函數

　　在加載驅動(dòng)時(shí)，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(shí)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(dòng)中混雜設備的定義如下：

　　在卸載驅動(dòng)時(shí)，內核調用退出函數s3c_bl_pwm_exit（），注銷(xiāo)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(shí)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(shí)，把按鍵狀態(tài)設置為不確定（KEY_DOWNX），然后啟動(dòng)定時(shí)器延時(shí)去抖，進(jìn)入定時(shí)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(shí)器處理程序中，讀取按鍵GPIO端口電平，查詢(xún)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(shí)延時(shí)一個(gè)相對去抖更長(cháng)的時(shí)間，啟動(dòng)一個(gè)新的定時(shí)器，每次定時(shí)器到期后，查詢(xún)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(dòng)新的定時(shí)器；若查詢(xún)到已經(jīng)沒(méi)有按下，則標識按鍵狀態(tài)為抬起，這時(shí)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(shí)，應該調用背光調節函數bl_handler（）依據傳入的按鍵編號調節背光亮度。按鍵中斷和定時(shí)器處理函數的流程如圖4所示。

圖4 按鍵中斷和定時(shí)器處理函數的流程圖

　　3.3 PWM 設置函數

　　PWM 定時(shí)器中有2個(gè)寄存器TCNTBn和TCMPBn,分別為定時(shí)器計數緩存寄存器和定時(shí)器比較緩存寄存器[10].TCNTBn用來(lái)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(guò)寫(xiě)入不同的TCMPBn的數值，就可以調節輸出信號占空比，實(shí)現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(shí)器在工作時(shí)改寫(xiě)TCMPBn的值。

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

　?。?）使能系統PCLK 時(shí)鐘源，獲取總線(xiàn)時(shí)鐘頻率值。設置定時(shí)器TOUT1的時(shí)鐘預分頻值和分頻值，分別寫(xiě)入定時(shí)器配置寄存器TCFG0和TCFG1;（2）寫(xiě)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(shí)器控制寄存器TCON.使能定時(shí)器TOUT1的自動(dòng)重載位，關(guān)閉反相器，開(kāi)啟手動(dòng)更新位，啟動(dòng)定時(shí)器TOUT1.在定時(shí)器延時(shí)等待一定時(shí)間后定時(shí)器的下降計數器開(kāi)始計數；（4）清除定時(shí)器TOUT1的手動(dòng)更新位，手動(dòng)更新位必須在下次寫(xiě)前被清除。

　　4 測試結果與分析

　　將驅動(dòng)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(guò)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(guò)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(guān)的數據。

表1 系統不同背光亮度的功耗對比表