基于嵌入式Linux的LCD背光調(diào)節(jié)及驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

　　在手持式設(shè)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(gè)強(qiáng)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(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，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暫停原理，以一定的頻率和占空比的方波來控制LED的導(dǎo)通。LED正向電流在零電流到額定工作電流之間來回切換，通過高速開關(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)。

圖1 PWM 的波形

　　2 背光調(diào)節(jié)的硬件實(shí)現(xiàn)方案

　　S3C2440[4]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，通過改變TOUT1端口GPB1輸出脈沖信號占空比，控制背光的開關(guān)。LCD背光調(diào)節(jié)電路如圖2所示。

圖2 LCD背光調(diào)節(jié)電路圖

　　圖2中ZXLD1100是一個(gè)電感式的PFM（PulseFrequency 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(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)傳入的按鍵編號控制GPB1輸出PWM 信號占空比，由此完成了對設(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)用接口來訪問設(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Linux 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。

圖3 背光驅(qū)動(dòng)程序工作流程框圖

　　（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)來注冊中斷。

　　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對應(yīng)的按鍵編號和GPIO端口。

　?。?）當(dāng)中斷到來時(shí)，會(huì)到中斷描述符數(shù)組button_irqs中查詢中斷號對應(yīng)的按鍵編號。然后調(diào)用中斷處理函數(shù)等操作調(diào)節(jié)設(shè)備背光。

　?。?）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)備所使用的中斷號并刪除對應(yīng)中斷處理函數(shù)。

　　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)識當(dāng)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)沒有按下，則標(biāo)識按鍵狀態(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。

圖4 按鍵中斷和定時(shí)器處理函數(shù)的流程圖

　　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[10].TCNTBn用來設(shè)置PWM 輸出脈沖頻率，TCMPBn的值用于設(shè)置PWM 信號占空比。因此通過寫入不同的TCMPBn的數(shù)值，就可以調(diào)節(jié)輸出信號占空比，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)置定時(shí)器TOUT1端口GPB1的PWM 功能操作步驟如下：

　?。?）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TCFG1;（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。

　　4 測試結(jié)果與分析

　　將驅(qū)動(dòng)程序編譯后加載到內(nèi)核測試，設(shè)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(shè)備功耗與背光亮度相關(guān)的數(shù)據(jù)。

表1 系統(tǒng)不同背光亮度的功耗對比表