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标题: 光学手指导航模组的嵌入式系统开发 [打印本页]

作者: sinychen 时间: 2011-4-18 19:17
标题: 光学手指导航模组的嵌入式系统开发
1  微型光学手指导航模组简介

微型光学手指导航模组，集感应测量光路、微型机械构造和数字/模拟微电子集成电路于一体，是高度微型化的机电一体化人机输入模块，其核心技术是光学手指导航OFN（Optical Finger Navigation），又称为单手指导航SFN（Single Finger Navigation）、光学轨迹板OTP（Optical Track Pad）或光学导航触键ONK（Optical Navigation Key）。不同厂家有不同的称谓，比较公认的是“光学手指导航OFN”。

简单地说，OFN模组就是高度微型化的鼠标。

1.1  工作原理

OFN模组，通常由红外LED光源、遮光触摸面板、光学透镜组和具有光敏阵列的片上处理/控制芯片组成，一般制作在便于集成应用的柔性线路FPC（Flexible Printing Circuit）板上。常用的OFNFPC，还集成了表面按键，即所说的“锅仔片（Metal Dome Switch）”，以简单地实现“点击确认”的功能。

OFN模组的工作原理如下：手指接触遮光触摸面板，光敏阵列检测到有目标活动，唤醒片上系统SoC投入正常工作状态，红外LED发光，启动检测光路，通过光学透镜组的折射和聚焦，由光敏阵列得到一幕一幕的图像数据信息；SoC从中抽象出不同的运动矢量MV（Motion Vector），进而根据运动矢量在时间和空间上的相关性，计算出每次手指移动的平面相对量，形成运动数据，并及时通过数据接口向外传输出去。手指移出后，光敏阵列通过检测还可以使SoC转入休眠状态，以节省功耗。

遮光触摸面板，需要能够应对强光辐射干扰及外界湿度变化影响。

运动相关性的判断与计算是OFN的核心，通常沿用光电鼠标中成熟的简化的13点、9点、7点或5点运动预测算法。还可以对得到的一系列数据，展开进一步的分析计算，得到“点击”、“双击”、“拖动”等伴随信息，进而实现传统鼠标的各种功能。

OFN形成的数据信息一般包括两类：控制信息和运动信息。控制信息指示是否运动、点击、双击、拖动等，运动信息即平面的X方向与Y方向相对位移量。

1.2  技术特征

从应用角度概括起来，OFN的性能特征如下：

① 超薄超小设计。通常，外形面积在10 mm×10 mm以内，有效感光孔径在1.5 mm×1.5 mm以内，厚度在2?8~5?1 mm，也有2 mm厚度的OFN推出。

② 极低功耗设计。工作电流在2~16 mA，通常为3 mA；待机电流为80~150 μA，大多数器件为100 μA。

③ 直流供电需求。2.6~5.0 V范围，常用为2.8 V工作电压，正在朝自适应、更低的电源供应发展。

④ 灵活的多接口支持。可以通过常规数字接口I2C（InterIntegrated Circuit）或SPI（Serial Peripheral Interface）上传数据或接受主机配置，也有PS2鼠标接口或USB接口的；可以以中断方式向主机随时提示需要信息输入；可以通过复位和开关的形式接受主机统一调度。

⑤ 可选或自适应的光敏阵列分辨率，200~1250 CPI（Dots Per Inch）通常为800CPI。

⑥ 位移数据设置。通常为8位补码格式。

⑦ 优良的EMC/EMI设计，2 kV以上的ESD（ElectroStatic Discharge）能力。

1.3  产品化应用

OFN一经推出，就得到了迅速应用，特别是各种各样的手机，无论是廉价的功能手机（feature phone）还是高性能的3G（3rd?Generation）智能手机（smart phone），无论是Nucleus MTK、ThreadX?展迅、Symbian体系还是Windows Mobile、ARMLinux/Android、MACOSXiPhone体系，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、中兴的X60等，不胜枚举。

另外，在MID（Mobile Internet Devices）/MPC（Multimedia Personal Computer）/上网本、GPS导航、PMP（Portable Media Player）娱乐、数码相机/摄像机等大众化产品中，也在不断地得到广泛应用。不着重考虑成本和功耗的工农业过程控制、仪表仪器设备等行业领域，也在悄然进行OFN的扩展应用。

OFN应用前景十分壮观，需求推动着OFN的应用，应用促进着OFN的不断完善发展。

2  微型光学手指导航模组开发

2.1  应用器件选型

不少半导体公司进行了OFN器件及其模组的研发与生产，如Avago的ABDSA320、ST的VD5376、ATLab的ATA2188MOF与MOA器件及其FO1R/FO3R/SMID/AP33M2I/P模组、CrucialTec的CT01~27系列模组、Apexone的A2815器件及其AMF813模组、Mitsumi的SFN11LE与SFN11GU等。特别值得一提的是SFN11GU，模组超薄化已经达到了2 mm。很多光电半导体公司采用现有的OFN器件生产不同规格的OFN模组系列产品，如科特通信、世纪芯成、合盈光电等。

选择OFN器件或模组，需要考虑的主要因素有：形体大小、功率消耗、电源供给和硬件接口。形体方面更关心的是厚度，越薄越适宜便携式消费产品，当然成本也会越高。便携式消费产品的应用，特别注重形体、功耗和电源供应，通常形体小巧、工作与待机电流小和可以更低电压供电的OFN器件或模组更受青睐。工农业过程控制、仪表仪器设备等行业应用，则更多考虑的是OFN器件或模组的稳定高效、连接方便和EMI/EMC/ESD能力。

这里重点说明一下OFN的复合功能，导航及实时手指触控与位移检测是OFN的基本功能，由此衍生OFN的复合功能包括：点击、双击、拖动、滚屏、翻页、卷屏等。通常采用的OFN器件，仅有基本导航功能。为适合常用的“点击确认”需求，构成OFN模组时，常常在其FPC下附带微型的“锅仔片”机械按键，已经能够满足大多数应用场合了，非常经济。一些OFN，则直接把常用的点击、双击、拖动等简单的复合功能集成在器件内，把滚屏、翻页、卷屏等复杂的复合功能设计成规范API函数库，供OFN器件或模组用户在具体的应用系统的上层软件中自由按需添加，CrucialTec的部分CTxx系列OFN模组就是如此。

2.2  硬件体系设计

嵌入式系统中引入OFN，硬件电路设计上需要做到：

① 数字I/O接口的连接，主要考虑3个方面。

◆  I/O接口的连接。增加10~50 Ω限流电阻加以实现，特别是电压规格不同的情形。

◆  电磁干扰的抑制。可以通过瓷片电容与限流电阻构成简洁的RC滤波电路加以实现。

◆  驱动能力的增强。可以通过上拉电阻简单加以实现。

②  供给电源的去噪滤波可以选用钽电容与瓷片电容，简单加以实现。

图1给出了一种典型的OFN模组硬件电路设计，其中Mode用于选择I2C或SPI总线形式，INT为对外的实时中断信号，#RST和#ShtDwn为主机的复位和开关控制端口，I2C信号为SCK与SDA，SPI信号为SCK、RxD、TxD和#CS。

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