0 引言

　　在手持式裝置中，液晶顯示屏的使用越來越廣泛。由於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，以便清晰地顯示資訊。這樣的光源是非常耗電的，通常液晶顯示屏的功耗常常佔到系統總功耗的60％以上。以群創的7寸屏為例，通常背光燈的功耗為2．5 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，也全功率的執行，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，由於手持式裝置工作環境的變化，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。
　　基於上述2種原因，考慮到裝置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)訊號，根據裝置實際使用需要，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 基於PWM的背光調節原理

　　在中小尺寸液晶顯示屏中，一般採用白光LED作為顯示屏的背光光源。PWM即脈寬調製，PWM調光就是利用人眼的視覺暫停原理，以一定的頻率和佔空比的方波來控制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，週期迴圈地提供不同佔空比的方波，實現亮度的調節。只要導通時LED正向電流大小是恆定的，發出的白光就不會發生色偏，而且只要頻率大幹100Hz，人眼看到的將是連續的光源。　　

　　圖1是脈寬調製訊號的波形。假設高電平代表開啟背光，低電平代表關閉背光，背光開啟和關閉時間的比例不同會得到不同佔空比的方波。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。

2 背光調節的硬體實現方案

　　S3C2440是三星公司推出的一款基於ARM920T核心的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，通常用於大電流裝置控制。
　　PWM訊號可以用硬體產生，也可以由軟體產生。由於用軟體定時產生PWM訊號外圍電路簡單，脈衝寬度精度高，控制靈活，所以本方案用S3C2440的定時器TOUT1，軟體定時產生PWM訊號，通過改變TOUT1埠GPB1輸出脈衝訊號佔空比，控制背光的開關。
　　LCD背光調節電路如圖2所示。

　　圖2中ZXLD1100是一個電感式的PFM(Pulse Frequency Modulation)升壓轉換器，用於驅動白光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的埠GPB1與ZXLD1100的使能端相連，通過PWM訊號使能ZXLD1100，可以使LCD背光工作在較低的功率下。
　　圖2中按鍵S1_KEY用於調高背光亮度，S2_KEY用於調低背光亮度。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訊號佔空比，由此完成了對裝置背光的軟體控制，實現背光亮度的調節。

3 背光調節的軟體設計

　　背光調節的軟體部分主要是驅動程式的設計，裝置驅動程式是連線硬體和作業系統核心的橋樑，它為應用程式遮蔽了硬體的細節，應用程式將使用統一的系統呼叫介面來訪問裝置。Linux系統將裝置分為3種基本型別，即字元裝置、塊裝置和網路裝置。本文涉及的背光碟機動屬於字元裝置驅動程式。採用Linux作為嵌入式作業系統，核心版本為Linux 2．6．32，根檔案系統採用Yaffs2，應用程式採用了Busybox。背光碟機動程式的工作流程框圖如圖3所示。

• (1)當載入驅動時，呼叫初始化函式s3c_bl_pwm_init()。該函式會呼叫request_irq()函式來註冊中斷。request_irq()會操作中斷描述符陣列button_irqs。中斷描述符陣列的主要功能是記錄中斷號對應的按鍵編號和GPIO埠。
• (2)當中斷到來時，會到中斷描述符陣列button_irqs中查詢中斷號對應的按鍵編號。然後呼叫中斷處理函式等操作調節裝置背光。
• (3)當解除安裝驅動時，呼叫退出函式s3c_bl_pwm_exit()。該函式中會呼叫free_irq()，操作中斷描述符陣列button_irqs，釋放裝置所使用的中斷號並刪除對應中斷處理函式。

3．1 背光碟機動的初始化和退出函式

　　在載入驅動時，核心呼叫初始化函式s3c_bl_pwm_init()。首先初始化LCD背光亮度，設定按鍵中斷觸發方式，註冊中斷。然後初始化定時器，設定按鍵初始狀態為擡起(KEY_UP)。最後使用misc_register()向核心註冊混雜裝置，混雜裝置是字元裝置的抽象。背光碟機動中混雜裝置的定義如下：

　　在解除安裝驅動時，核心呼叫退出函式s3c_bl_pwm_exit()，登出中斷和混雜裝置，完成和初始化函式相反的行為。

3．2 按鍵中斷和定時器處理程式

　　當按鍵被按下後，將發生快速中斷，觸發中斷處理程式buttons_interrupt()。在中斷處理程式中，當按鍵初始狀態為擡起(KEY_UP)時，把按鍵狀態設定為不確定(KEY_DOWNX)，然後啟動定時器延時去抖，進入定時器處理函式。如果當前按鍵初始狀態不是擡起則退出中斷處理程式。在定時器處理程式中，讀取按鍵GPIO埠電平，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，每次定時器到期後，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，則標識按鍵狀態為擡起，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，應該呼叫背光調節函式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式的流程如圖4所示。

3．3 PWM設定函式

　　PWM定時器中有2個暫存器TCNTBn和TCMPBn，分別為定時器計數快取暫存器和定時器比較快取暫存器。TCNTBn用來設定PWM輸出脈衝頻率，TCMPBn的值用於設定PWM訊號佔空比。因此通過寫入不同的TCMPBn的數值，就可以調節輸出訊號佔空比，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，雙緩衝特性允許定時器在工作時改寫TCMPBn的值。
　　PWM設定函式pwm_set_duty()根據傳入引數改寫TCMPBn的值，可以實時地改變輸出波形。PWM設定函式設定定耐器TOUT1埠GPB1的PWM功能操作步驟如下：

• (1)使能系統PCLK時鐘源，獲取匯流排時鐘頻率值。設定定時器TOUT1的時鐘預分頻值和分頻值，分別寫入定時器配置暫存器TCFG0和TCFG1；
• (2)寫入初始值到比較快取暫存器TCMPB1和計數快取暫存器TCNTB1；
• (3)設定定時器控制暫存器TCON。使能定時器TOUT1的自動過載位，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後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

　　將驅動程式編譯後加載到核心測試，設定PWM輸出頻率為200 Hz，高電平比例為1／3的波形，通過示波器看到GPB1埠所輸出波形如圖5所示。

　　通過測試，可以得到如表1所示的該手持式裝置功耗與背光亮度相關的資料。

　　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，在該裝置使用時，在環境允許的條件下，可以降低背光亮度等級，以減少功耗。本文的背光碟機動程式為背光調節提供了7級的亮度控制。在實際使用的過程中，設定1／3的亮度即可，只有在特殊的場合才需要設定為高亮。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週期亮滅的情況，以獲得視覺上的滿意效果，PWM輸出的頻率一般在設定在100～300 Hz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，設計了一種基於PWM調節LCD背光的軟硬體實現方案。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並能滿足手持式裝置調節背光的要求，該方案已經在一款手持裝置產品上得到了應用。在實際應用中，為了防止當PWM頻率落在200～20 kHz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20 kHz以上，跳出人耳聽覺的範圍。