LCD背光调节实验

2023-11-19

不管是使用显示器还是手机，其屏幕背光都是可以调节的，通过调节背光就可以控制屏幕的亮度。在户外阳光强烈的时候可以通过调高背光来看清屏幕，在光线比较暗的地方可以调低背光，防止伤眼睛并且省电。正点原子的三款RGB LCD 也支持背光调节，本章我们就来学习如何调节LCD 背光。

LCD 背光调节简介

正点原子的三个RGB LCD 都有一个背光控制引脚，给这个背光控制引脚输入高电平就会点亮背光，输入低电平就会关闭背光。假如我们不断的打开和关闭背光，当速度足够快的时候就不会感觉到背光关闭这个过程了。这个正好可以使用PWM 来完成，PWM 全称是Pulse Width Modulation，也就是脉冲宽度调制，PWM 信号如图29.1.1 所示：
在这里插入图片描述
PWM 信号有两个关键的术语：频率和占空比，频率就是开关速度，把一次开关算作一个周期，那么频率就是1 秒内进行了多少次开关。占空比就是一个周期内高电平时间和低电平时间的比例，一个周期内高电平时间越长占空比就越大，反之占空比就越小。占空比用百分之表示，如果一个周期内全是低电平那么占空比就是0%，如果一个周期内全是高电平那么占空比就是
100%。

我们给LCD 的背光引脚输入一个PWM 信号，这样就可以通过调整占空比的方式来调整LCD 背光亮度了。提高占空比就会提高背光亮度，降低占空比就会降低背光亮度。重点就在于PWM 信号的产生和占空比的控制，很幸运的是，I.MX6U 提供了PWM 外设，因此我们可以配置PWM 外设来产生PWM 信号。

打开《I.MX6ULL 参考手册》的第40 章“Chapter 40 Pulse Width Modulation(PWM)”，I.MX6U一共有8 路PWM 信号，每个PWM 包含一个16 位的计数器和一个4 x 16 的数据FIFO，I.MX6U的PWM 外设结构如图29.1.2 所示：
在这里插入图片描述
图29.1.2 中的各部分功能如下：
①、此部分是一个选择器，用于选择PWM 信号的时钟源，一共有三种时钟源：ipg_clk、ipg_clk_highfreq 和ipg_clk_32k。
②、这是一个12 位的分频器，可以对①中选择的时钟源进行分频。
③、这是PWM 的16 位计数器寄存器，保存着PWM 的计数值。
④、这是PWM 的16 位周期寄存器，此寄存器用来控制PWM 的频率。
⑤、这是PWM 的16 位采样寄存器，此寄存器用来控制PWM 的占空比。
⑥、此部分是PWM 的中断信号，PWM 是提供中断功能的，如果使能了相应的中断的话就会产生中断。
⑦、此部分是PWM 对应的输出IO，产生的PWM 信号就会从对应的IO 中输出，I.MX6U-ALPHA 开发板的LCD 背光控制引脚连接在I.MX6U 的GPIO1_IO8 上，GPIO1_IO8 可以复用为PWM1_OUT。

可以通过配置相应的寄存器来设置PWM 信号的频率和占空比，PWM 的16 位计数器是个向上计数器，此计数器会从0X0000 开始计数，直到计数值等于寄存器PWMx_PWMPR(x=1~8) + 1，然后计数器就会重新从0X0000 开始计数，如此往复。所以寄存器PWMx_PWMPR 可以设置PWM 的频率。

在一个周期内，PWM 从0X0000 开始计数的时候，PWM 引脚先输出高电平(默认情况下，可以通过配置输出低电平)。采样FIFO 中保存的采样值会在每个时钟和计数器值进行比较，当采样值和计数器相等的话PWM 引脚就会改为输出低电平(默认情况下，同样可以通过配置输出高电平)。计数器会持续计数，直到和周期寄存器PWMx_PWMPR(x=1~8) + 1 的值相等，这样一个周期就完成了。所以，采样FIFO 控制着占空比，而采样FIFO 里面的值来源于采样寄存器PWMx_PWMSAR，因此相当于PWMx_PWMSAR 控制着占空比。至此，PWM 信号的频率和占空比设置我们就知道该如何去做了。

PWM 开启以后会按照默认值运行，并产生PWM 波形，而这个默认的PWM 一般并不是我们需要的波形。如果这个PWM 波形控制着设备的话就会导致设备因为接收到错误的PWM 信号而运行错误，严重情况下可能会损坏设备，甚至人身安全。因此，在开启PWM 之前最好设置好PWMx_PWMPR 和PWMx_PWMSAR 这两个寄存器，也就是设置好PWM 的频率和占空比。

当我们向PWMx_PWMSAR 寄存器写入采样值的时候，如果FIFO 没满的话其值会被存储到FIFO 中。如果FIFO 满的时候写入采样值就会导致寄存器PWMx_PWMSR 的位FWE(bit6)置1，表示FIFO 写错误，FIFO 里面的值也并不会改变。FIFO 可以在任何时候写入，但是只有在PWM 使能的情况下读取。寄存器PWMx_SR 的位FIFOAV(bit2:0)记录着当前FIFO 中有多少个
数据。从采样寄存器PWMx_PWMSAR 读取一次数据，FIFO 里面的数据就会减一，每产生一个周期的PWM 信号，FIFO 里面的数据就会减一，相当于被用掉了。PWM 有个FIFO 空中断，当FIFO 为空的时候就会触发此中断，可以在此中断处理函数中向FIFO 写入数据。

关于I.MX6U 的PWM 的原理知识就讲解到这里，接下来看一下PWM 的几个重要的寄存器，本章我们使用的是PWM1，首先看一下寄存器PWM1_PWMCR 寄存器，此寄存器结构如图29.1.2 所示：

在这里插入图片描述
寄存器PWM1_PWMCR 用到的重要位如下：

FWM(bit27:26)：FIFO 水位线，用来设置FIFO 空余位置为多少的时候表示FIFO 为空。设置为0 的时候表示FIFO 空余位置大于等于1 的时候FIFO 为空；设置为1 的时候表示FIFO 空余位置大于等于2 的时候FIFO 为空；设置为2 的时候表示FIFO 空余位置大于等于3 的时候FIFO 为空；设置为3 的时候表示FIFO 空余位置大于等于4 的时候FIFO 为空。

STOPEN(bit25)：此位用来设置停止模式下PWM 是否工作，为0 的话表示在停止模式下PWM 继续工作，为1 的话表示停止模式下关闭PWM。

DOZEN(bit24)：此位用来设置休眠模式下PWM 是否工作，为0 的话表示在休眠模式下PWM 继续工作，为1 的话表示休眠模式下关闭PWM。

WAITEN(bit23)：此位用来设置等待模式下PWM 是否工作，为0 的话表示在等待模式下PWM 继续工作，为1 的话表示等待模式下关闭PWM。

DEGEN(bit22)：此位用来设置调试模式下PWM 是否工作，为0 的话表示在调试模式下PWM 继续工作，为1 的话表示调试模式下关闭PWM。

BCTR(bit21)：字节交换控制位，用来控制16 位的数据进入FIFO 的字节顺序。为0 的时候不进行字节交换，为1 的时候进行字节交换。

HCRT(bit20)：半字交换控制位，用来决定从32 位IP 总线接口传输来的哪个半字数据写入采样寄存器的低16 位中。

POUTC(bit19:18)：PWM 输出控制控制位，用来设置PWM 输出模式，为0 的时候表示PWM 先输出高电平，当计数器值和采样值相等的话就输出低电平。为1 的时候相反，当为2 或者3 的时候PWM 信号不输出。本章我们设置为0，也就是一开始输出高电平，当计数器值和采样值相等的话就改为低电平，这样采样值越大高电平时间就越长，占空比就越大。

CLKSRC(bit17:16)：PWM 时钟源选择，为0 的话关闭；为1 的话选择ipg_clk 为时钟源；为2 的话选择ipg_clk_highfreq 为时钟源；为3 的话选择ipg_clk_32k 为时钟源。本章我们设置为1，也就是选择ipg_clk 为PWM 的时钟源，因此PWM 时钟源频率为66MHz。

PRESCALER(bit15:4)：分频值，可设置为0_{4095，对应着1}4096 分频。

SWR(bit3)：软件复位，向此位写1 就复位PWM，此位是自清零的，当复位完成以后此位会自动清零。

REPEAT(bit2:1)：重复采样设置，此位用来设置FIFO 中的每个数据能用几次。可设置0~ 3，分别表示FIFO 中的每个数据能用1~4 次。本章我们设置为0，即FIFO 中的每个数据只能用一次。

EN(bit0)：PWM 使能位，为1 的时候使能PWM，为0 的时候关闭PWM。
接下来看一下寄存器PWM1_PWMIR 寄存器，这个是PWM 的中断控制寄存器，此寄存器结构如图29.1.3 所示：
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寄存器PWM1_PWMIR 只有三个位，这三个位的含义如下：

CIE(bit2)：比较中断使能位，为1 的时候使能比较中断，为0 的时候关闭比较中断。

RIE(bit1)：翻转中断使能位，当计数器值等于采样值并回滚到0X0000 的时候就会产生此中断，为1 的时候使能翻转中断，为0 的时候关闭翻转中断。

FIE(bit0)：FIFO 空中断，为1 的时候使能，为0 的时候关闭。

再来看一下状态寄存器PWM1_PWMSR，此寄存器结构如图29.1.4 所示：
在这里插入图片描述
寄存器PWM1_PWMSR 各个位的含义如下：

FWE(bit6)：FIFO 写错误事件，为1 的时候表示发生了FIFO 写错误。
CMP(bit5)：FIFO 比较事件发标志位，为1 的时候表示发生FIFO 比较事件。
ROV(bit4)：翻转事件标志位，为1 的话表示翻转事件发生。
FE(bit3)：FIFO 空标志位，为1 的时候表示FIFO 位空。
FIFOAV(bit2:1)：此位记录FIFO 中的有效数据个数，有效值为0~4，分别表示FIFO 中有0~ 4 个有效数据。

接下来是寄存器PWM1_PWMPR 寄存器，这个是PWM 周期寄存器，可以通过此寄存器来设置PWM 的频率，此寄存器结构如图29.1.5 所示：
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从图29.1.5 可以看出，寄存器PWM1_PWMPR 只有低16 位有效，当PWM 计数器的值等于PERIOD+1 的时候就会从0X0000 重新开始计数，开启另一个周期。PWM 的频率计算公式如下：

PWMO(Hz) = PCLK(Hz) / (PERIOD + 2)

其中PCLK 是最终进入PWM 的时钟频率，假如PCLK 的频率为1MHz，现在我们要产生一个频率为1KHz 的PWM 信号，那么就可以设置PERIOD = 1000000 / 1000 – 2 = 998。

最后来看一下寄存器PWM1_PWMSAR，这是采样寄存器，用于设置占空比的，此寄存器结构如图29.1.6 所示：
在这里插入图片描述

此寄存器也是只有低16 位有效，为采样值。通过这个采样值即可调整占空比，当计数器的值小于SAMPLE 的时候输出高电平(或低电平)。当计数器值大于等于SAMPLE，小于寄存器PWM1_PWMPR 的PERIO 的时候输出低电平(或高电平)。同样在上面的例子中，假如我们要设置PWM 信号的占空比为50%，那么就可以将SAMPLE 设置为(PERIOD + 2) / 2 = 1000 / 2=500。

关于PWM 有关的寄存器就介绍到这里，关于这些寄存器详细的描述，请参考《I.MX6ULL参考手册》第2480 页的40.7 小节。本章我们使用I.MX6U 的PWM1，PWM1 的输出引脚为GPIO1_IO8，配置步骤如下：

1、配置引脚GPIO1_IO8
配置GPIO1_IO08 的复用功能，将其复用为PWM1_OUT 信号线。

2、初始化PWM1
初始化PWM1，配置所需的PWM 信号的频率和默认占空比。

3、设置中断
因为FIFO 中的采样值每个周期都会少一个，所以需要不断的向FIFO 中写入采样值，防止其为空。我们可以使能FIFO 空中断，这样当FIFO 为空的时候就会触发相应的中断，然后在中断处理函数中向FIFO 写入采样值。

4、使能PWM1
配置好PWM1 以后就可以开启了。

硬件原理分析

本试验用到的资源如下：
①、指示灯LED0。
②、RGB LCD 接口。
③、按键KEY0

本实验用到的硬件原理图参考第二十四章，本章实验我们一开始设置RGB LCD 的背光亮度PWM 信号频率为1KHz,占空比为10%，这样屏幕亮度就很低。然后通过按键KEY0 逐步的提升PWM 信号的占空比，按照10%步进。当达到100%以后再次按下KEY0，PWM 信号占空比回到10%重新开始。LED0 不断的闪烁，提示系统正在运行。

实验程序编写

本实验对应的例程路径为：开发板光盘-> 1、裸机例程-> 20_pwm_lcdbacklight。

本章实验在上一章例程的基础上完成，更改工程名字为“backlight”，然后在bsp 文件夹下创建名为“backlight”的文件夹，然后在bsp/backlight 中新建bsp_backlight.c 和bsp_backlight.h这两个文件。在bsp_backlight.h 中输入如下内容：

1 #ifndef _BACKLIGHT_H
2 #define _BACKLIGHT_H
3 /***************************************************************
4 Copyright © zuozhongkai Co., Ltd. 1998-2019. All rights reserved.
5 文件名: bsp_backlight.c
6 作者: 左忠凯
7 版本: V1.0
8 描述: LCD背光PWM驱动头文件。
9 其他: 无
10 论坛: www.openedv.com
11 日志: 初版V1.0 2019/1/22 左忠凯创建
12 ***************************************************************/
13 #include "imx6ul.h"
14
15 /* 背光PWM结构体*/
16 struct backlight_dev_struc
17 {
18 unsigned char pwm_duty; /* 占空比*/
19 };
20
21 /* 函数声明*/
22 void backlight_init(void);
23 void pwm1_enable(void);
24 void pwm1_setsample_value(unsigned int value);
25 void pwm1_setperiod_value(unsigned int value);
26 void pwm1_setduty(unsigned char duty);
27 void pwm1_irqhandler(void);
28
29 #endif

文件bsp_backlight.h 文件内容很简单，在第16 行定义了一个背光PWM 结构体，剩下的就是函数声明。在文件bsp_backlight.c 中输入如下内容：

1 #include "bsp_backlight.h"
2 #include "bsp_int.h"
3 #include "stdio.h"
4
5 struct backlight_dev_struc backlight_dev; /* 背光设备*/
6
7 /*
8 * @description : pwm1中断处理函数
9 * @param : 无
10 * @return : 无
11 */
12 void pwm1_irqhandler(void)
13 {
14 if(PWM1->PWMSR & (1 << 3)) /* FIFO为空中断*/
15 {
16 /* 将占空比信息写入到FIFO中,其实就是设置占空比*/
17 pwm1_setduty(backlight_dev.pwm_duty);
18 PWM1->PWMSR |= (1 << 3); /* 写1清除中断标志位*/
19 }
20 }
21
22 /*
23 * @description : 初始化背光PWM
24 * @param : 无
25 * @return : 无
26 */
27 void backlight_init(void)

文件bsp_blacklight.c 一共有6 个函数，首先是函数pwm1_irqhandler，这个是PWM1 的中断处理函数。需要在此函数中处理FIFO 空中断，当FIFO 空中断发生以后需要向采样寄存器PWM1_PWMSAR 写入采样数据，也就是占空比值，最后要清除相应的中断标志位。第2 个函数是backlight_init，这个是背光初始化函数，在此函数里面会初始化背光引脚GPIO1_IO08，将其复用为PWM1_OUT。然后此函数初始化PWM1，设置要产生的PWM 信号频率和默认占空比，接下来使能FIFO 空中断，注册相应的中断处理函数，最后使能PWM1。第3 个函数是pwm1_enable，用于使能PWM1。第4 个函数是pwm1_setsample_value，用于设置采样值，也就是寄存器PWM1_PWMSAR 的值。第5 个函数是pwm1_setperiod_value，用于设置PWM 信号的频率。第6 个函数是pwm1_setduty，用于设置PWM 的占空比，这个函数只有一个参数duty，也就是占空比值，单位为%，函数内部会根据百分值计算出寄存器PWM1_PWMSAR 应该设置的值。

最后在main.c 文件中输入如下所示内容：

/**************************************************************
Copyright © zuozhongkai Co., Ltd. 1998-2019. All rights reserved.
文件名: main.c
作者: 左忠凯
版本: V1.0
描述: I.MX6U开发板裸机实验21 背光PWM实验
其他: 我们使用手机的时候背光都是可以调节的，同样的I.MX6U-ALPHA
开发板的LCD背光也是可以调节，LCD背光就相当于一个LED灯。
LED灯的亮灭可以通过PWM来控制，本实验我们就来学习一下如何
通过PWM来控制LCD的背光。
论坛: www.openedv.com
日志: 初版V1.0 2019/1/21 左忠凯创建
**************************************************************/

第34 行调用函数backlight_init 初始化屏幕背光PWM。第44 行设置背光PWM 默认占空比为10%。在main 函数中读取按键值，如果KEY0 按下的话就将PWM 信号的占空比增加10%，当占空比超过100%的时候就重回到10%，重新开始。总的来说，main.c 的内容还是很简单的。

编译下载验证

编写Makefile 和链接脚本

修改Makefile 中的TARGET 为backlight，然后在在INCDIRS 和SRCDIRS 中加入“bsp/rtc”，修改后的Makefile 如下：

1 CROSS_COMPILE ?= arm-linux-gnueabihf-
2 TARGET ?= backlight
3
4 /* 省略掉其它代码...... */
5
6 INCDIRS := imx6ul \

第2 行修改变量TARGET 为“backlight”，也就是目标名称为“backlight”。
第26 行在变量INCDIRS 中添加背光PWM 驱动头文件(.h)路径。
第48 行在变量SRCDIRS 中添加背光PWM 驱动驱动文件(.c)路径。
链接脚本保持不变。

编译下载

使用Make 命令编译代码，编译成功以后使用软件imxdownload 将编译完成的backlight.bin文件下载到SD 卡中，命令如下：

chmod 777 imxdownload //给予imxdownload 可执行权限，一次即可
./imxdownload backlight.bin /dev/sdd //烧写到SD 卡中，不能烧写到/dev/sda 或sda1 里面！

烧写成功以后将SD 卡插到开发板的SD 卡槽中，然后复位开发板，默认背光PWM 是10%，PWM 信号波形如图29.4.2.1 所示：
在这里插入图片描述
从图29.4.2.1 可以看出，此时背光PWM 信号的频率为1.00KHz，占空比是10.02%，和我们代码中配置的一致，此时LCD 的屏幕显示如图29.4.2.2 所示：

图29.4.2.2 就是PWM 占空比为10%的LCD 屏幕显示，可以看出屏幕亮度很低，甚至可以看到屏幕上拍照人的倒影。因为拍照的原因，实际亮度跟实际情况可能会有少许差别。

我们将PWM 的占空比调节到90%，此时的LCD 屏幕亮度肯定会很亮，如图29.4.2.3 所示：
在这里插入图片描述
图29.4.2.3 的屏幕亮度相比图29.4.2.2 就要高很多，这个就是LCD 背光调节的原理，采用PWM 波形来完成，通过调整占空比即可完成亮度调节。

至此，I.MX6U-ALPHA 开发板的所有裸机例程已经全部完成了，通过这几十个裸机例程，我们对I.MX6UL/ULL 这款芯片的外设有了一个基本的了解，为我们以后学习Uboot 和Linux 驱动打下了坚实的基础。

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