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2．5 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。

2 背光調節的硬件實現方案
S3C2440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中ZXLD1100是一個電感式的PFM(Pulse Frequency 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。

(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。

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。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設置函數設置定耐器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TCF G1；
(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200 Hz，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。

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。

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100～300 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200～20 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，跳出人耳聽覺的范圍。