摘要：為了減少手持式設(shè)備的功耗并滿足LCD背光調(diào)節(jié)的應(yīng)用需求，在嵌入式Linux下，設(shè)計(jì)了一種用按鍵來(lái)調(diào)節(jié)輸出方波占空比以實(shí)現(xiàn)背光調(diào)節(jié)的解決方案。該方案采用S3C2440的定時(shí)器產(chǎn)生PWM信號(hào)，系統(tǒng)根據(jù)LCD使用情況和外界光線強(qiáng)度的變化，用傳入的按鍵觸發(fā)次數(shù)來(lái)控制定時(shí)器輸出PWM信號(hào)的占空比，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)背光狀態(tài)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，并完成了背光驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)。測(cè)試結(jié)果表明，該方法可以降低設(shè)備的功耗并能滿足背光調(diào)節(jié)的要求，具有良好的穩(wěn)定性及通用性。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；PWM；按鍵；背光調(diào)節(jié)

0 引言
    在手持式設(shè)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(qiáng)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(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2．5 W，而LCD的功耗只有0．825 W。由此可見，背光光源的功耗在整個(gè)電源中的比重是相當(dāng)高的。如果系統(tǒng)在不用顯示屏?xí)r，也全功率的運(yùn)行，系統(tǒng)的電池能量將很快被耗光。所以，調(diào)節(jié)LCD的背光源，降低系統(tǒng)在不用顯示屏?xí)r的能耗是十分必要的工作。另外，由于手持式設(shè)備工作環(huán)境的變化，也需要根據(jù)外界光線強(qiáng)度的變化，對(duì)背光的亮度做出相應(yīng)的調(diào)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(shè)備功耗的降低以及使用的便利性，本文在嵌入式Linux下，設(shè)計(jì)了一種使用S3C2440的定時(shí)器產(chǎn)生PWM(Pulse Width Modulation)信號(hào)，根據(jù)設(shè)備實(shí)際使用需要，和外界光線強(qiáng)度的變化用按鍵調(diào)節(jié)LCD背光亮度的解決方案。

1 基于PWM的背光調(diào)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(diào)制，PWM調(diào)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(dǎo)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)高速開關(guān)背光，周期循環(huán)地提供不同占空比的方波，實(shí)現(xiàn)亮度的調(diào)節(jié)。只要導(dǎo)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(xù)的光源。

    圖1是脈寬調(diào)制信號(hào)的波形。假設(shè)高電平代表打開背光，低電平代表關(guān)閉背光，背光打開和關(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(xiàn)了背光的調(diào)節(jié)。

2 背光調(diào)節(jié)的硬件實(shí)現(xiàn)方案
    S3C2440是三星公司推出的一款基于ARM920T內(nèi)核的16／32位RISC嵌入式微處理器。其內(nèi)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(nèi)部定時(shí)器，另外定時(shí)器TOUT0有一個(gè)死區(qū)發(fā)生器，通常用于大電流設(shè)備控制。
    PWM信號(hào)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(hào)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(hào)，通過(guò)改變TOUT1端口GPB1輸出脈沖信號(hào)占空比，控制背光的開關(guān)。[!--empirenews.page--]
    LCD背光調(diào)節(jié)電路如圖2所示。

    圖2中ZXLD1100是一個(gè)電感式的PFM(Pulse Frequency Modulation)升壓轉(zhuǎn)換器，用于驅(qū)動(dòng)白光LED。當(dāng)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(qū)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(hào)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(diào)高背光亮度，S2_KEY用于調(diào)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(dāng)按鍵按下時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)傳入的按鍵編號(hào)控制GPB1輸出PWM信號(hào)占空比，由此完成了對(duì)設(shè)備背光的軟件控制，實(shí)現(xiàn)背光亮度的調(diào)節(jié)。

3 背光調(diào)節(jié)的軟件設(shè)計(jì)
    背光調(diào)節(jié)的軟件部分主要是驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是連接硬件和操作系統(tǒng)內(nèi)核的橋梁，它為應(yīng)用程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)，應(yīng)用程序?qū)⑹褂媒y(tǒng)一的系統(tǒng)調(diào)用接口來(lái)訪問(wèn)設(shè)備。Linux系統(tǒng)將設(shè)備分為3種基本類型，即字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。本文涉及的背光驅(qū)動(dòng)屬于字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。采用Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)，內(nèi)核版本為L(zhǎng)inux 2．6．32，根文件系統(tǒng)采用Yaffs2，應(yīng)用程序采用了Busybox。背光驅(qū)動(dòng)程序的工作流程框圖如圖3所示。

    (1)當(dāng)加載驅(qū)動(dòng)時(shí)，調(diào)用初始化函數(shù)s3c_bl_pwm_init()。該函數(shù)會(huì)調(diào)用request_irq()函數(shù)來(lái)注冊(cè)中斷。request_irq()會(huì)操作中斷描述符數(shù)組button_irqs。中斷描述符數(shù)組的主要功能是記錄中斷號(hào)對(duì)應(yīng)的按鍵編號(hào)和GPIO端口。
    (2)當(dāng)中斷到來(lái)時(shí)，會(huì)到中斷描述符數(shù)組button_irqs中查詢中斷號(hào)對(duì)應(yīng)的按鍵編號(hào)。然后調(diào)用中斷處理函數(shù)等操作調(diào)節(jié)設(shè)備背光。
    (3)當(dāng)卸載驅(qū)動(dòng)時(shí)，調(diào)用退出函數(shù)s3c_bl_pwm_exit()。該函數(shù)中會(huì)調(diào)用free_irq()，操作中斷描述符數(shù)組button_irqs，釋放設(shè)備所使用的中斷號(hào)并刪除對(duì)應(yīng)中斷處理函數(shù)。[!--empirenews.page--]
3．1 背光驅(qū)動(dòng)的初始化和退出函數(shù)
    在加載驅(qū)動(dòng)時(shí)，內(nèi)核調(diào)用初始化函數(shù)s3c_bl_pwm_init()。首先初始化LCD背光亮度，設(shè)置按鍵中斷觸發(fā)方式，注冊(cè)中斷。然后初始化定時(shí)器，設(shè)置按鍵初始狀態(tài)為抬起(KEY_UP)。最后使用misc_register()向內(nèi)核注冊(cè)混雜設(shè)備，混雜設(shè)備是字符設(shè)備的抽象。背光驅(qū)動(dòng)中混雜設(shè)備的定義如下：
   
    在卸載驅(qū)動(dòng)時(shí)，內(nèi)核調(diào)用退出函數(shù)s3c_bl_pwm_exit()，注銷中斷和混雜設(shè)備，完成和初始化函數(shù)相反的行為。
3．2 按鍵中斷和定時(shí)器處理程序
    當(dāng)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(dāng)按鍵初始狀態(tài)為抬起(KEY_UP)時(shí)，把按鍵狀態(tài)設(shè)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(shù)。如果當(dāng)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(biāo)識(shí)當(dāng)前按鍵狀態(tài)為按下(KEY_DOWN)。同時(shí)延時(shí)一個(gè)相對(duì)去抖更長(zhǎng)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；若查詢到已經(jīng)沒(méi)有按下，則標(biāo)識(shí)按鍵狀態(tài)為抬起，這時(shí)候應(yīng)該等待新的按鍵中斷。每次標(biāo)識(shí)按鍵狀態(tài)為按下(KEY_DOWN)時(shí)，應(yīng)該調(diào)用背光調(diào)節(jié)函數(shù)bl_handler()依據(jù)傳入的按鍵編號(hào)調(diào)節(jié)背光亮度。按鍵中斷和定時(shí)器處理函數(shù)的流程如圖4所示。

3．3 PWM設(shè)置函數(shù)
    PWM定時(shí)器中有2個(gè)寄存器TCNTBn和TCMPBn，分別為定時(shí)器計(jì)數(shù)緩存寄存器和定時(shí)器比較緩存寄存器。TCNTBn用來(lái)設(shè)置PWM輸出脈沖頻率，TCMPBn的值用于設(shè)置PWM信號(hào)占空比。因此通過(guò)寫入不同的TCMPBn的數(shù)值，就可以調(diào)節(jié)輸出信號(hào)占空比，實(shí)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(jié)果相反，雙緩沖特性允許定時(shí)器在工作時(shí)改寫TCMPBn的值。
    PWM設(shè)置函數(shù)pwm_set_duty()根據(jù)傳入?yún)?shù)改寫TCMPBn的值，可以實(shí)時(shí)地改變輸出波形。PWM設(shè)置函數(shù)設(shè)置定耐器TOUT1端口GPB1的PWM功
能操作步驟如下：
    (1)使能系統(tǒng)PCLK時(shí)鐘源，獲取總線時(shí)鐘頻率值。設(shè)置定時(shí)器TOUT1的時(shí)鐘預(yù)分頻值和分頻值，分別寫入定時(shí)器配置寄存器TCFG0和TCF G1；
    (2)寫入初始值到比較緩存寄存器TCMPB1和計(jì)數(shù)緩存寄存器TCNTB1；
    (3)設(shè)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(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)；
    (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前被清除。
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4 測(cè)試結(jié)果與分析
    將驅(qū)動(dòng)程序編譯后加載到內(nèi)核測(cè)試，設(shè)定PWM輸出頻率為200 Hz，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。

    通過(guò)測(cè)試，可以得到如表1所示的該手持式設(shè)備功耗與背光亮度相關(guān)的數(shù)據(jù)。

    從表1中可以看出背光亮度等級(jí)越低，系統(tǒng)的功耗越小。所以，在該設(shè)備使用時(shí)，在環(huán)境允許的條件下，可以降低背光亮度等級(jí)，以減少功耗。本文的背光驅(qū)動(dòng)程序?yàn)楸彻庹{(diào)節(jié)提供了7級(jí)的亮度控制。在實(shí)際使用的過(guò)程中，設(shè)置1／3的亮度即可，只有在特殊的場(chǎng)合才需要設(shè)置為高亮。在LCD不工作的時(shí)候，可以調(diào)低或者關(guān)閉背光，這樣可以大大節(jié)省能耗。在應(yīng)用時(shí)，為了確保人眼看不到LED周期亮滅的情況，以獲得視覺(jué)上的滿意效果，PWM輸出的頻率一般在設(shè)置在100～300 Hz之間比較合適，否則會(huì)給人閃爍的感覺(jué)。

5 結(jié)語(yǔ)
    本文在嵌入式Linux下，設(shè)計(jì)了一種基于PWM調(diào)節(jié)LCD背光的軟硬件實(shí)現(xiàn)方案。本方案與普通的線性調(diào)光相比，更符合人們對(duì)LED調(diào)光精度、效率以及效果的要求，同時(shí)可以降低系統(tǒng)功耗并能滿足手持式設(shè)備調(diào)節(jié)背光的要求，該方案已經(jīng)在一款手持設(shè)備產(chǎn)品上得到了應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，為了防止當(dāng)PWM頻率落在200～20 kHz之間時(shí)，LED驅(qū)動(dòng)電路的電感和電容產(chǎn)生人耳聽得見的噪聲，可以根據(jù)需求，增加成本，用高耐壓的鉭電容代替陶瓷電容；還可以犧牲調(diào)光精度，把開關(guān)頻率提高到20 kHz以上，跳出人耳聽覺(jué)的范圍。