??????? 1? 微型光學手指導航模組簡介

　　微型光學手指導航模組，集感應測量光路、微型機械構造和數(shù)字/模擬微電子集成電路于一體，是高度微型化的機電一體化人機輸入模塊。

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　　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“鍋仔片（Metal Dome Switch）”，以簡單地實現(xiàn)“點擊確認”的功能。

　　OFN模組的工作原理如下：手指接觸遮光觸摸面板，光敏陣列檢測到有目標活動，喚醒片上系統(tǒng)SoC投入正常工作狀態(tài)，紅外LED發(fā)光，啟動檢測光路，通過光學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動矢量MV（Motion Vector），進而根據(jù)運動矢量在時間和空間上的相關性，計算出每次手指移動的平面相對量，形成運動數(shù)據(jù)，并及時通過數(shù)據(jù)接口向外傳輸出去。手指移出后，光敏陣列通過檢測還可以使SoC轉入休眠狀態(tài)，以節(jié)省功耗。

　　遮光觸摸面板，需要能夠應對強光輻射干擾及外界濕度變化影響。

　　運動相關性的判斷與計算是OFN的核心，通常沿用光電鼠標中成熟的簡化的13點、9點、7點或5點運動預測算法。還可以對得到的一系列數(shù)據(jù)，展開進一步的分析計算，得到“點擊”、“雙擊”、“拖動”等伴隨信息，進而實現(xiàn)傳統(tǒng)鼠標的各種功能。

　　OFN形成的數(shù)據(jù)信息一般包括兩類：控制信息和運動信息。控制信息指示是否運動、點擊、雙擊、拖動等，運動信息即平面的X方向與Y方向相對位移量。

　　1.2? 技術特征

　　從應用角度概括起來，OFN的性能特征如下：

　　① 超薄超小設計。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 極低功耗設計。工作電流在2~16 mA，通常為3 mA；待機電流為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、更低的電源供應發(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)或接受主機配置，也有PS2鼠標接口或USB接口的；可以以中斷方式向主機隨時提示需要信息輸入；可以通過復位和開關的形式接受主機統(tǒng)一調(diào)度。

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

　　⑥ 位移數(shù)據(jù)設置。通常為8位補碼格式。

　　⑦ 優(yōu)良的EMC/EMI設計，2 kV以上的ESD（ElectroStatic Discharge）能力。

　　1.3? 產(chǎn)品化應用

　　OFN一經(jīng)推出，就得到了迅速應用，特別是各種各樣的手機，無論是廉價的功能手機（feature phone）還是高性能的3G（3rd?Generation）智能手機（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導航、PMP（Portable Media Player）娛樂、數(shù)碼相機/攝像機等大眾化產(chǎn)品中，也在不斷地得到廣泛應用。不著重考慮成本和功耗的工農(nóng)業(yè)過程控制、儀表儀器設備等行業(yè)領域，也在悄然進行OFN的擴展應用。

　　OFN應用前景十分壯觀，需求推動著OFN的應用，應用促進著OFN的不斷完善發(fā)展。

　　2? 微型光學手指導航模組開發(fā)

　　2.1? 應用器件選型

　　不少半導體公司進行了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)達到了2 mm。很多光電半導體公司采用現(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。形體方面更關心的是厚度，越薄越適宜便攜式消費產(chǎn)品，當然成本也會越高。便攜式消費產(chǎn)品的應用，特別注重形體、功耗和電源供應，通常形體小巧、工作與待機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、儀表儀器設備等行業(yè)應用，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。

　　這里重點說明一下OFN的復合功能，導航及實時手指觸控與位移檢測是OFN的基本功能，由此衍生OFN的復合功能包括：點擊、雙擊、拖動、滾屏、翻頁、卷屏等。通常采用的OFN器件，僅有基本導航功能。為適合常用的“點擊確認”需求，構成OFN模組時，常常在其FPC下附帶微型的“鍋仔片”機械按鍵，已經(jīng)能夠滿足大多數(shù)應用場合了，非常經(jīng)濟。一些OFN，則直接把常用的點擊、雙擊、拖動等簡單的復合功能集成在器件內(nèi)，把滾屏、翻頁、卷屏等復雜的復合功能設計成規(guī)范API函數(shù)庫，供OFN器件或模組用戶在具體的應用系統(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? 硬件體系設計

　　嵌入式系統(tǒng)中引入OFN，硬件電路設計上需要做到：

　　① 數(shù)字I/O接口的連接，主要考慮3個方面。

　　◆? I/O接口的連接。增加10~50 Ω限流電阻加以實現(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成簡潔的RC濾波電路加以實現(xiàn)。

　　◆? 驅動能力的增強。可以通過上拉電阻簡單加以實現(xiàn)。

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

　　圖1給出了一種典型的OFN模組硬件電路設計，其中Mode用于選擇I2C或SPI總線形式，INT為對外的實時中斷信號，#RST和#ShtDwn為主機的復位和開關控制端口，I2C信號為SCK與SDA，SPI信號為SCK、RxD、TxD和#CS。

圖1? OFN的硬件電路設計示意圖

　　對于抗干擾、驅動和適應能力強大的OFN器件，可以不考慮濾波、限流和上拉電阻，具體情況應視所選用的OFN模組的性能和電路設計需求而定。電路設計時需要注意參考廠家的推薦電路及其器件參數(shù)與相關的估算公式，特別是PCB或FPC的印制板設計。

　　2.3? 軟件體系設計

　　OFN模組，作為一種新興的人機輸入微型接口設備，一般是以片外設備的身份，加入到以各類微處理器為核心的嵌入式應用系統(tǒng)中的，嵌入式微處理器軟件體系必需實現(xiàn)對OFN模組的驅動才能及時地從中得到來自OFN的各種信息。

　　OFN模組的驅動程序主要包括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OFN光敏分辨率、休眠方式、連續(xù)中斷間隔等項的設置，如果不進行初始配置，OFN則按默認配置工作。過程變化控制用于主機對OFN的開關、復位及其工作參數(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就會以一定的時間間隔按中斷的形式通知主機系統(tǒng)。可以采用中斷或查詢的方式實時地從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器，在定時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。主機可以在外部事件中斷或定時中斷服務中，通過I2C或SPI總線操作，得到必要的OFN檢測信息。

　　通過底層驅動程序得到OFN檢測信息后，對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等微型嵌入式實時操作系統(tǒng)ERTOS（Embedded Real Time Operating System）的主機系統(tǒng)，上層應用程序直接用來進行屏幕指示、操作控制或數(shù)據(jù)的存儲、轉發(fā)等活動，這主要針對工農(nóng)業(yè)過程控制、儀表儀器設備、器件性能檢測完善等應用情形。對于使用Nucleus MTK、ThreadX展迅、Symbian、Windows CE/Mobile、ARMLinux/Android、MACOSXiPhone、VxWorks等典型EOS及其應用體系的主機系統(tǒng)，還需要對OFN信息進行數(shù)據(jù)封裝或控制格式轉換，以便使原有系統(tǒng)的絕大多數(shù)應用程序都能直接使用，如鼠標數(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動程序中實現(xiàn)，操作復雜的則需要在應用層通過消息、隊列等軟件通信或同步機制做“二傳”或“三傳”加以實現(xiàn)。

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