基于嵌入式Linux的LCD背光调节及驱动的实现

0 引言
在手持式设备中，液晶显示屏的使用越来越广泛。由于LCD自身是不能发光的，它需要一个强劲的光源来给它提供背光，以便清晰地显示信息。这样的光源是非常耗电的，通常液晶显示屏的功耗常常占到系统总功耗的60％以上。以群创的7寸屏为例，通常背光灯的功耗为2．5 W，而LCD的功耗只有0．825 W。由此可见，背光光源的功耗在整个电源中的比重是相当高的。如果系统在不用显示屏时，也全功率的运行，系统的电池能量将很快被耗光。所以，调节LCD的背光源，降低系统在不用显示屏时的能耗是十分必要的工作。另外，由于手持式设备工作环境的变化，也需要根据外界光线强度的变化，对背光的亮度做出相应的调节，以适合人眼观看的舒适度。
基于上述2种原因，考虑到设备功耗的降低以及使用的便利性，本文在嵌入式Linux下，设计了一种使用S3C2440的定时器产生PWM(Pulse Width Modulation)信号，根据设备实际使用需要，和外界光线强度的变化用按键调节LCD背光亮度的解决方案。

1 基于PWM的背光调节原理
在中小尺寸液晶显示屏中，一般采用白光LED作为显示屏的背光光源。PWM即脉宽调制，PWM调光就是利用人眼的视觉暂停原理，以一定的频率和占空比的方波来控制LED的导通。LED正向电流在零电流到额定工作电流之间来回切换，通过高速开关背光，周期循环地提供不同占空比的方波，实现亮度的调节。只要导通时LED正向电流大小是恒定的，发出的白光就不会发生色偏，而且只要频率大干100Hz，人眼看到的将是连续的光源。
   
   
图1是脉宽调制信号的波形。假设高电平代表打开背光，低电平代表关闭背光，背光打开和关闭时间的比例不同会得到不同占空比的方波。从输出的波形来看，波的平均功率是不一样的，这样就得到了不同的亮度，实现了背光的调节。

2 背光调节的硬件实现方案
S3C2440是三星公司推出的一款基于ARM920T内核的16／32位RISC嵌入式微处理器。其内部有5个16位的定时器，其中前4个定时器(TOUT0～TOUT3)具有PWM功能，第5个定时器(TOUT4)是一个没有输出引脚的内部定时器，另外定时器TOUT0有一个死区发生器，通常用于大电流设备控制。
PWM信号可以用硬件产生，也可以由软件产生。由于用软件定时产生PWM信号外围电路简单，脉冲宽度精度高，控制灵活，所以本方案用S3C2440的定时器TOUT1，软件定时产生PWM信号，通过改变TOUT1端口GPB1输出脉冲信号占空比，控制背光的开关。
   LCD背光调节电路如图2所示。
   
   
图2中ZXLD1100是一个电感式的PFM(Pulse Frequency Modulation)升压转换器，用于驱动白光LED。当LCD正常工作时，ZXLD1100的EN端被置高电平时，输出端将得到驱动LCD背光源所需的工作电压。将S3C2440的端口GPB1与ZXLD1100的使能端相连，通过PWM信号使能ZXLD1100，可以使LCD背光工作在较低的功率下。
图2中按键S1_KEY用于调高背光亮度，S2_KEY用于调低背光亮度。S1_KEY和S2_KEY所用到的外部中断分别是EINT0和EINT13。当按键按下时，系统根据传入的按键编号控制GPB1输出PWM信号占空比，由此完成了对设备背光的软件控制，实现背光亮度的调节。

3 背光调节的软件设计
背光调节的软件部分主要是驱动程序的设计，设备驱动程序是连接硬件和操作系统内核的桥梁，它为应用程序屏蔽了硬件的细节，应用程序将使用统一的系统调用接口来访问设备。Linux系统将设备分为3种基本类型，即字符设备、块设备和网络设备。本文涉及的背光驱动属于字符设备驱动程序。采用Linux作为嵌入式操作系统，内核版本为Linux 2．6．32，根文件系统采用Yaffs2，应用程序采用了Busybox。背光驱动程序的工作流程框图如图3所示。
   
   
(1)当加载驱动时，调用初始化函数s3c_bl_pwm_init()。该函数会调用request_irq()函数来注册中断。request_irq()会操作中断描述符数组button_irqs。中断描述符数组的主要功能是记录中断号对应的按键编号和GPIO端口。
(2)当中断到来时，会到中断描述符数组button_irqs中查询中断号对应的按键编号。然后调用中断处理函数等操作调节设备背光。
(3)当卸载驱动时，调用退出函数s3c_bl_pwm_exit()。该函数中会调用free_irq()，操作中断描述符数组button_irqs，释放设备所使用的中断号并删除对应中断处理函数。
   3．1 背光驱动的初始化和退出函数
在加载驱动时，内核调用初始化函数s3c_bl_pwm_init()。首先初始化LCD背光亮度，设置按键中断触发方式，注册中断。然后初始化定时器，设置按键初始状态为抬起(KEY_UP)。最后使用misc_register()向内核注册混杂设备，混杂设备是字符设备的抽象。背光驱动中混杂设备的定义如下：

在卸载驱动时，内核调用退出函数s3c_bl_pwm_exit()，注销中断和混杂设备，完成和初始化函数相反的行为。
3．2 按键中断和定时器处理程序
当按键被按下后，将发生快速中断，触发中断处理程序buttons_interrupt()。在中断处理程序中，当按键初始状态为抬起(KEY_UP)时，把按键状态设置为不确定(KEY_DOWNX)，然后启动定时器延时去抖，进入定时器处理函数。如果当前按键初始状态不是抬起则退出中断处理程序。在定时器处理程序中，读取按键GPIO端口电平，查询按键是否仍然被按下。如果按键仍被按下且按键状态是不确定(KEY_DOWNX)，则标识当前按键状态为按下(KEY_DOWN)。同时延时一个相对去抖更长的时间，启动一个新的定时器，每次定时器到期后，查询按键是否仍然被按下且按键状态为按下(KEY_DOWN)，如果是，则重新启动新的定时器；若查询到已经没有按下，则标识按键状态为抬起，这时候应该等待新的按键中断。每次标识按键状态为按下(KEY_DOWN)时，应该调用背光调节函数bl_handler()依据传入的按键编号调节背光亮度。按键中断和定时器处理函数的流程如图4所示。
   
   
3．3 PWM设置函数
PWM定时器中有2个寄存器TCNTBn和TCMPBn，分别为定时器计数缓存寄存器和定时器比较缓存寄存器。TCNTBn用来设置PWM输出脉冲频率，TCMPBn的值用于设置PWM信号占空比。因此通过写入不同的TCMPBn的数值，就可以调节输出信号占空比，实现PWM功能，即：要减小PWM的脉宽，则要减小TCMPBn值，相反要增大PWM的脉宽，则要增大TCMPBn。如果使用了反相器，则增大和减小的结果相反，双缓冲特性允许定时器在工作时改写TCMPBn的值。
PWM设置函数pwm_set_duty()根据传入参数改写TCMPBn的值，可以实时地改变输出波形。PWM设置函数设置定耐器TOUT1端口GPB1的PWM功
能操作步骤如下：
(1)使能系统PCLK时钟源，获取总线时钟频率值。设置定时器TOUT1的时钟预分频值和分频值，分别写入定时器配置寄存器TCFG0和TCF G1；
(2)写入初始值到比较缓存寄存器TCMPB1和计数缓存寄存器TCNTB1；
(3)设置定时器控制寄存器TCON。使能定时器TOUT1的自动重载位，关闭反相器，开启手动更新位，启动定时器TOUT1。在定时器延时等待一定时间后定时器的下降计数器开始计数；
(4)清除定时器TOUT1的手动更新位，手动更新位必须在下次写前被清除。
   4 测试结果与分析
将驱动程序编译后加载到内核测试，设定PWM输出频率为200 Hz，高电平比例为1／3的波形，通过示波器看到GPB1端口所输出波形如图5所示。
   
   
通过测试，可以得到如表1所示的该手持式设备功耗与背光亮度相关的数据。
   
   
从表1中可以看出背光亮度等级越低，系统的功耗越小。所以，在该设备使用时，在环境允许的条件下，可以降低背光亮度等级，以减少功耗。本文的背光驱动程序为背光调节提供了7级的亮度控制。在实际使用的过程中，设置1／3的亮度即可，只有在特殊的场合才需要设置为高亮。在LCD不工作的时候，可以调低或者关闭背光，这样可以大大节省能耗。在应用时，为了确保人眼看不到LED周期亮灭的情况，以获得视觉上的满意效果，PWM输出的频率一般在设置在100～300 Hz之间比较合适，否则会给人闪烁的感觉。

5 结语
本文在嵌入式Linux下，设计了一种基于PWM调节LCD背光的软硬件实现方案。本方案与普通的线性调光相比，更符合人们对LED调光精度、效率以及效果的要求，同时可以降低系统功耗并能满足手持式设备调节背光的要求，该方案已经在一款手持设备产品上得到了应用。在实际应用中，为了防止当PWM频率落在200～20 kHz之间时，LED驱动电路的电感和电容产生人耳听得见的噪声，可以根据需求，增加成本，用高耐压的钽电容代替陶瓷电容；还可以牺牲调光精度，把开关频率提高到20 kHz以上，跳出人耳听觉的范围。