基于一种可以用按键进行调节LCD背光亮度的解决方案
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2.5w，而lcd的功耗只有0.825w。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。
图1 pwm 的波形
2 背光调节的硬件实现方案
s3c2440［4］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 lcd背光调节电路图
图2中zxld1100是一个电感式的pfm（pulsefrequency 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。
图3 背光驱动程序工作流程框图
（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。
图4 按键中断和定时器处理函数的流程图
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［10］.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设置函数设置定时器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tcfg1;（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200hz，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。
图5 gpb1输出波形
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。
表1 系统不同背光亮度的功耗对比表
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100~300hz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200~20khz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20khz以上，跳出人耳听觉的范围。
来源；电子工程网
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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。
图1 pwm 的波形
2 背光调节的硬件实现方案
s3c2440［4］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 lcd背光调节电路图
图2中zxld1100是一个电感式的pfm（pulsefrequency 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。
图3 背光驱动程序工作流程框图
（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。
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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：
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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。
图4 按键中断和定时器处理函数的流程图
3.3 pwm 设置函数
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图5 gpb1输出波形
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。
表1 系统不同背光亮度的功耗对比表
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100~300hz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200~20khz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20khz以上，跳出人耳听觉的范围。
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