??????? 1? 微型光學(xué)手指導(dǎo)航模組簡介

　　微型光學(xué)手指導(dǎo)航模組，集感應(yīng)測(cè)量光路、微型機(jī)械構(gòu)造和數(shù)字/模擬微電子集成電路于一體，是高度微型化的機(jī)電一體化人機(jī)輸入模塊。

?

　　1.1? 工作原理

　　OFN模組，通常由紅外LED光源、遮光觸摸面板、光學(xué)透鏡組和具有光敏陣列的片上處理/控制芯片組成，一般制作在便于集成應(yīng)用的柔性線路FPC（Flexible Printing Circuit）板上。常用的OFNFPC，還集成了表面按鍵，即所說的“鍋?zhàn)衅∕etal Dome Switch）”，以簡單地實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)擊確認(rèn)”的功能。

　　OFN模組的工作原理如下：手指接觸遮光觸摸面板，光敏陣列檢測(cè)到有目標(biāo)活動(dòng)，喚醒片上系統(tǒng)SoC投入正常工作狀態(tài)，紅外LED發(fā)光，啟動(dòng)檢測(cè)光路，通過光學(xué)透鏡組的折射和聚焦，由光敏陣列得到一幕一幕的圖像數(shù)據(jù)信息；SoC從中抽象出不同的運(yùn)動(dòng)矢量MV（Motion Vector），進(jìn)而根據(jù)運(yùn)動(dòng)矢量在時(shí)間和空間上的相關(guān)性，計(jì)算出每次手指移動(dòng)的平面相對(duì)量，形成運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并及時(shí)通過數(shù)據(jù)接口向外傳輸出去。手指移出后，光敏陣列通過檢測(cè)還可以使SoC轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)，以節(jié)省功耗。

　　遮光觸摸面板，需要能夠應(yīng)對(duì)強(qiáng)光輻射干擾及外界濕度變化影響。

　　運(yùn)動(dòng)相關(guān)性的判斷與計(jì)算是OFN的核心，通常沿用光電鼠標(biāo)中成熟的簡化的13點(diǎn)、9點(diǎn)、7點(diǎn)或5點(diǎn)運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)算法。還可以對(duì)得到的一系列數(shù)據(jù)，展開進(jìn)一步的分析計(jì)算，得到“點(diǎn)擊”、“雙擊”、“拖動(dòng)”等伴隨信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)鼠標(biāo)的各種功能。

　　OFN形成的數(shù)據(jù)信息一般包括兩類：控制信息和運(yùn)動(dòng)信息。控制信息指示是否運(yùn)動(dòng)、點(diǎn)擊、雙擊、拖動(dòng)等，運(yùn)動(dòng)信息即平面的X方向與Y方向相對(duì)位移量。

　　1.2? 技術(shù)特征

　　從應(yīng)用角度概括起來，OFN的性能特征如下：

　　① 超薄超小設(shè)計(jì)。通常，外形面積在10 mm×10 mm以內(nèi)，有效感光孔徑在1.5 mm×1.5 mm以內(nèi)，厚度在2?8~5?1 mm，也有2 mm厚度的OFN推出。

　　② 極低功耗設(shè)計(jì)。工作電流在2~16 mA，通常為3 mA；待機(jī)電流為80~150 μA，大多數(shù)器件為100 μA。

　　③ 直流供電需求。2.6~5.0 V范圍，常用為2.8 V工作電壓，正在朝自適應(yīng)、更低的電源供應(yīng)發(fā)展。

　　④ 靈活的多接口支持。可以通過常規(guī)數(shù)字接口I2C（InterIntegrated Circuit）或SPI（Serial Peripheral Interface）上傳數(shù)據(jù)或接受主機(jī)配置，也有PS2鼠標(biāo)接口或USB接口的；可以以中斷方式向主機(jī)隨時(shí)提示需要信息輸入；可以通過復(fù)位和開關(guān)的形式接受主機(jī)統(tǒng)一調(diào)度。

　　⑤ 可選或自適應(yīng)的光敏陣列分辨率，200~1250 CPI（Dots Per Inch）通常為800CPI。

　　⑥ 位移數(shù)據(jù)設(shè)置。通常為8位補(bǔ)碼格式。

　　⑦ 優(yōu)良的EMC/EMI設(shè)計(jì)，2 kV以上的ESD（ElectroStatic Discharge）能力。

　　1.3? 產(chǎn)品化應(yīng)用

　　OFN一經(jīng)推出，就得到了迅速應(yīng)用，特別是各種各樣的手機(jī)，無論是廉價(jià)的功能手機(jī)（feature phone）還是高性能的3G（3rd?Generation）智能手機(jī)（smart phone），無論是Nucleus MTK、ThreadX?展迅、Symbian體系還是Windows Mobile、ARMLinux/Android、MACOSXiPhone體系，如Samsung的i329/728/780/788/908/8510、Nokia的E72/N900、BlackBerry的8520/9700、LG的ks500/kt500、SonyEricsson的X1/X2/X3、Sharp的SH8020C、中興的X60等，不勝枚舉。

　　另外，在MID（Mobile Internet Devices）/MPC（Multimedia Personal Computer）/上網(wǎng)本、GPS導(dǎo)航、PMP（Portable Media Player）娛樂、數(shù)碼相機(jī)/攝像機(jī)等大眾化產(chǎn)品中，也在不斷地得到廣泛應(yīng)用。不著重考慮成本和功耗的工農(nóng)業(yè)過程控制、儀表儀器設(shè)備等行業(yè)領(lǐng)域，也在悄然進(jìn)行OFN的擴(kuò)展應(yīng)用。

　　OFN應(yīng)用前景十分壯觀，需求推動(dòng)著OFN的應(yīng)用，應(yīng)用促進(jìn)著OFN的不斷完善發(fā)展。

　　2? 微型光學(xué)手指導(dǎo)航模組開發(fā)

　　2.1? 應(yīng)用器件選型

　　不少半導(dǎo)體公司進(jìn)行了OFN器件及其模組的研發(fā)與生產(chǎn)，如Avago的ABDSA320、ST的VD5376、ATLab的ATA2188MOF與MOA器件及其FO1R/FO3R/SMID/AP33M2I/P模組、CrucialTec的CT01~27系列模組、Apexone的A2815器件及其AMF813模組、Mitsumi的SFN11LE與SFN11GU等。特別值得一提的是SFN11GU，模組超薄化已經(jīng)達(dá)到了2 mm。很多光電半導(dǎo)體公司采用現(xiàn)有的OFN器件生產(chǎn)不同規(guī)格的OFN模組系列產(chǎn)品，如科特通信、世紀(jì)芯成、合盈光電等。

　　選擇OFN器件或模組，需要考慮的主要因素有：形體大小、功率消耗、電源供給和硬件接口。形體方面更關(guān)心的是厚度，越薄越適宜便攜式消費(fèi)產(chǎn)品，當(dāng)然成本也會(huì)越高。便攜式消費(fèi)產(chǎn)品的應(yīng)用，特別注重形體、功耗和電源供應(yīng)，通常形體小巧、工作與待機(jī)電流小和可以更低電壓供電的OFN器件或模組更受青睞。工農(nóng)業(yè)過程控制、儀表儀器設(shè)備等行業(yè)應(yīng)用，則更多考慮的是OFN器件或模組的穩(wěn)定高效、連接方便和EMI/EMC/ESD能力。

　　這里重點(diǎn)說明一下OFN的復(fù)合功能，導(dǎo)航及實(shí)時(shí)手指觸控與位移檢測(cè)是OFN的基本功能，由此衍生OFN的復(fù)合功能包括：點(diǎn)擊、雙擊、拖動(dòng)、滾屏、翻頁、卷屏等。通常采用的OFN器件，僅有基本導(dǎo)航功能。為適合常用的“點(diǎn)擊確認(rèn)”需求，構(gòu)成OFN模組時(shí)，常常在其FPC下附帶微型的“鍋?zhàn)衅睓C(jī)械按鍵，已經(jīng)能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用場合了，非常經(jīng)濟(jì)。一些OFN，則直接把常用的點(diǎn)擊、雙擊、拖動(dòng)等簡單的復(fù)合功能集成在器件內(nèi)，把滾屏、翻頁、卷屏等復(fù)雜的復(fù)合功能設(shè)計(jì)成規(guī)范API函數(shù)庫，供OFN器件或模組用戶在具體的應(yīng)用系統(tǒng)的上層軟件中自由按需添加，CrucialTec的部分CTxx系列OFN模組就是如此。

　　2.2? 硬件體系設(shè)計(jì)

　　嵌入式系統(tǒng)中引入OFN，硬件電路設(shè)計(jì)上需要做到：

　　① 數(shù)字I/O接口的連接，主要考慮3個(gè)方面。

　　◆? I/O接口的連接。增加10~50 Ω限流電阻加以實(shí)現(xiàn)，特別是電壓規(guī)格不同的情形。

　　◆? 電磁干擾的抑制。可以通過瓷片電容與限流電阻構(gòu)成簡潔的RC濾波電路加以實(shí)現(xiàn)。

　　◆? 驅(qū)動(dòng)能力的增強(qiáng)。可以通過上拉電阻簡單加以實(shí)現(xiàn)。

　　②? 供給電源的去噪濾波可以選用鉭電容與瓷片電容，簡單加以實(shí)現(xiàn)。

　　圖1給出了一種典型的OFN模組硬件電路設(shè)計(jì)，其中Mode用于選擇I2C或SPI總線形式，INT為對(duì)外的實(shí)時(shí)中斷信號(hào)，#RST和#ShtDwn為主機(jī)的復(fù)位和開關(guān)控制端口，I2C信號(hào)為SCK與SDA，SPI信號(hào)為SCK、RxD、TxD和#CS。

圖1? OFN的硬件電路設(shè)計(jì)示意圖

　　對(duì)于抗干擾、驅(qū)動(dòng)和適應(yīng)能力強(qiáng)大的OFN器件，可以不考慮濾波、限流和上拉電阻，具體情況應(yīng)視所選用的OFN模組的性能和電路設(shè)計(jì)需求而定。電路設(shè)計(jì)時(shí)需要注意參考廠家的推薦電路及其器件參數(shù)與相關(guān)的估算公式，特別是PCB或FPC的印制板設(shè)計(jì)。

　　2.3? 軟件體系設(shè)計(jì)

　　OFN模組，作為一種新興的人機(jī)輸入微型接口設(shè)備，一般是以片外設(shè)備的身份，加入到以各類微處理器為核心的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中的，嵌入式微處理器軟件體系必需實(shí)現(xiàn)對(duì)OFN模組的驅(qū)動(dòng)才能及時(shí)地從中得到來自O(shè)FN的各種信息。

　　OFN模組的驅(qū)動(dòng)程序主要包括3部分：初始配置、過程變化控制和數(shù)據(jù)的收發(fā)傳輸。初始配置完成對(duì)OFN光敏分辨率、休眠方式、連續(xù)中斷間隔等項(xiàng)的設(shè)置，如果不進(jìn)行初始配置，OFN則按默認(rèn)配置工作。過程變化控制用于主機(jī)對(duì)OFN的開關(guān)、復(fù)位及其工作參數(shù)變化的控制。數(shù)據(jù)收發(fā)傳輸是OFN的常規(guī)行為，只要有手指觸控，OFN就會(huì)以一定的時(shí)間間隔按中斷的形式通知主機(jī)系統(tǒng)。可以采用中斷或查詢的方式實(shí)時(shí)地從OFN中獲取手指的觸控輸入信息。查詢操作往往需要使用周期定時(shí)器，在定時(shí)中斷中查詢并獲取必要的OFN數(shù)據(jù)。從這層意義上講，查詢方式也是一類中斷方式。主機(jī)可以在外部事件中斷或定時(shí)中斷服務(wù)中，通過I2C或SPI總線操作，得到必要的OFN檢測(cè)信息。

　　通過底層驅(qū)動(dòng)程序得到OFN檢測(cè)信息后，對(duì)于沒有嵌入式操作系統(tǒng)EOS（Embedded Operatig System）的直接軟件體系，或諸如RTX、μC/OSII等微型嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)ERTOS（Embedded Real Time Operating System）的主機(jī)系統(tǒng)，上層應(yīng)用程序直接用來進(jìn)行屏幕指示、操作控制或數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)等活動(dòng)，這主要針對(duì)工農(nóng)業(yè)過程控制、儀表儀器設(shè)備、器件性能檢測(cè)完善等應(yīng)用情形。對(duì)于使用Nucleus MTK、ThreadX展迅、Symbian、Windows CE/Mobile、ARMLinux/Android、MACOSXiPhone、VxWorks等典型EOS及其應(yīng)用體系的主機(jī)系統(tǒng)，還需要對(duì)OFN信息進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝或控制格式轉(zhuǎn)換，以便使原有系統(tǒng)的絕大多數(shù)應(yīng)用程序都能直接使用，如鼠標(biāo)數(shù)據(jù)包格式、觸摸屏數(shù)據(jù)包格式、方向鍵信息格式等。這種信息封裝或變換，操作簡單的直接在驅(qū)動(dòng)程序中實(shí)現(xiàn)，操作復(fù)雜的則需要在應(yīng)用層通過消息、隊(duì)列等軟件通信或同步機(jī)制做“二傳”或“三傳”加以實(shí)現(xiàn)。

　　具有EOS的軟件系統(tǒng)，OFN驅(qū)動(dòng)程序需要遵循相應(yīng)EOS公用驅(qū)動(dòng)程序的編寫、調(diào)試、加/卸載要求，如Windows CE/Mobile的單/雙層、本地/流接口驅(qū)動(dòng)、動(dòng)態(tài)庫形式，ARMLinux的字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)、動(dòng)態(tài)加/卸載、VxWorks的I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)等。OFN驅(qū)動(dòng)程序傳播的是系統(tǒng)公用的人機(jī)交互輸入信息，必須為公用驅(qū)動(dòng)程序。EOS驅(qū)動(dòng)程序可以劃分為專用驅(qū)動(dòng)程序或公用驅(qū)動(dòng)程序兩大類，公用驅(qū)動(dòng)程序軟件要求很高，需要根據(jù)具體EOS的特點(diǎn)和要求，認(rèn)真編寫、調(diào)試和測(cè)試。