摘 要：為了減少手持式設備的功耗并滿足LCD背光調節的應用需求，在嵌入式Linux下，設計了一種用按鍵來調節輸出方波占空比以實現背光調節的解決方案。該方案采用S3C2440的定時器產生PWM信號，系統根據LCD使用情況和外界光線強度的變化，用傳入的按鍵觸發次數來控制定時器輸出PWM信號的占空比，通過軟件實現背光狀態的實時調節，并完成了背光驅動程序的設計。測試結果表明，該方法可以降低設備的功耗并能滿足背光調節的要求，具有良好的穩定性及通用性。

　　0 引 言

　　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總功耗的60%以上。以群創的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。如果系統在不用顯示屏時，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的能耗是十分必要的工作。

　　另外，由于手持式設備工作環境的變化，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，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，周期循環地提供不同占空比的方波，實現亮度的調節。只要導通時LED正向電流大小是恒定的，發出的白光就不會發生色偏，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，實現了背光的調節。

　　圖1 PWM 的波形

　　2 背光調節的硬件實現方案

　　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有一個死區發生器，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背光調節電路如圖2所示。

　　圖2 LCD背光調節電路圖

　　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程序的設計，設備驅動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訪問設備。Linux系統將設備分為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，內核版本為Linux 2.6.32，根文件系統采用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

　　（1）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。

　　（2）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設備背光。

　　（3）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，設置按鍵中斷觸發方式，注冊中斷。然后初始化定時器，設置按鍵初始狀態為抬起（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，將發生快速中斷，觸發中斷處理程序buttons_interrupt（）。在中斷處理程序中，當按鍵初始狀態為抬起（KEY_UP）時，把按鍵狀態設置為不確定（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是不確定（KEY_DOWNX），則標識當前按鍵狀態為按下（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，則標識按鍵狀態為抬起，這時候應該等待新的按鍵中斷。每次標識按鍵狀態為按下（KEY _DOWN）時，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，就可以調節輸出信號占空比，實現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：

　　（1）使能系統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 系統不同背光亮度的功耗對比表

　　從表1中可以看出背光亮度等級越低，系統的功耗越小。所以，在該設備使用時，在環境允許的條件下，可以降低背光亮度等級，以減少功耗。本文的背光驅動程序為背光調節提供了7級的亮度控制。在實際使用的過程中，設置1/3的亮度即可，只有在特殊的場合才需要設置為高亮。在LCD不工作的時候，可以調低或者關閉背光，這樣可以大大節省能耗。在應用時，為了確保人眼看不到LED周期亮滅的情況，以獲得視覺上的滿意效果，PWM 輸出的頻率一般在設置在100~300Hz之間比較合適，否則會給人閃爍的感覺。

　　5 結 語

　　本文在嵌入式Linux下，設計了一種基于PWM 調節LCD背光的軟硬件實現方案。本方案與普通的線性調光相比，更符合人們對LED調光精度、效率以及效果的要求，同時可以降低系統功耗并能滿足手持式設備調節背光的要求，該方案已經在一款手持設備產品上得到了應用。在實際應用中，為了防止當PWM 頻率落在200~20kHz之間時，LED驅動電路的電感和電容產生人耳聽得見的噪聲，可以根據需求，增加成本，用高耐壓的鉭電容代替陶瓷電容；還可以犧牲調光精度，把開關頻率提高到20kHz以上，跳出人耳聽覺的范圍。