??????? 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。
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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(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)測算法。還可以對得到的一系列數(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??刂菩畔⒅甘臼欠襁\(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:
?、?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。
?、?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。
?、?位移數(shù)據(jù)設(shè)置。通常為8位補(bǔ)碼格式。
?、?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??梢酝ㄟ^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)。
?、? 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檢測信息。
通過底層驅(qū)動(dòng)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(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),這主要針對工農(nóng)業(yè)過程控制、儀表儀器設(shè)備、器件性能檢測完善等應(yīng)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(yīng)用體系的主機(jī)系統(tǒng),還需要對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)試和測試。
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