光學手指導航模組在嵌入式產品的應用

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，其核心技術是光學手指導航OFN（Optical Finger Navigation），又稱為單手指導航SFN（Single Finger Navigation）、光學軌跡板OTP（Optical Track Pad）或光學導航觸鍵ONK（Optical Navigation Key）。不同廠家有不同的稱謂，比較公認的是“光學手指導航OFN”。

簡單地說，OFN模組就是高度微型化的鼠標。

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)據信息；SoC從中抽象出不同的運動矢量MV（Motion Vector），進而根據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，并及時通過數(shù)據接口向外傳輸出去。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，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)據信息一般包括兩類：控制信息和運動信息?？刂菩畔⒅甘臼欠襁\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，有效感光孔徑在1.5 mm×1.5 mm以內，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?？梢酝ㄟ^常規(guī)數(shù)字接口I2C（InterIntegrated Circuit）或SPI（Serial Peripheral Interface）上傳數(shù)據或接受主機配置，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? 產品化應用

OFN一經推出，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）/上網本、GPS導航、PMP（Portable Media Player）娛樂、數(shù)碼相機/攝像機等大眾化產品中，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，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器件生產不同規(guī)格的OFN模組系列產品，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品，當然成本也會越高。便攜式消費產品的應用，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，已經能夠滿足大多數(shù)應用場合了，非常經濟。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，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?？梢酝ㄟ^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?？梢酝ㄟ^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)?？梢圆捎弥袛嗷虿樵兊姆绞綄崟r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。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)據的存儲、轉發(fā)等活動，這主要針對工農業(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)據包格式、觸摸屏數(shù)據包格式、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，需要根據具體EOS的特點和要求，認真編寫、調試和測試。

3? 微型光學手指導航模組應用實踐

在各類嵌入式應用系統(tǒng)中開發(fā)使用OFN模組，軟硬件體系設計的核心是OFN驅動程序的實現(xiàn)，其關鍵在于OFN數(shù)據信息的實時采集和具體EOS下公用信息的形成。下面針對一些最常見的OFN應用開發(fā)設計實踐，加以闡述。其中涉及的I2C、SPI、UART、LCD（Liquid Crystal Display）、定時器（Timer）、GPIO（General Port Input/Output）等的軟件驅動操作，限于篇幅，這里不再著重說明。

3.1? 工業(yè)測控/儀表儀器應用

工農業(yè)過程控制、儀表儀器設備、器件性能檢測等軟件體系或微型ERTOS下的OFN應用，可以采用外部事件中斷或定時器查詢的方式，在其中斷服務程序中直接操作I2C或SPI總線，高效地從OFN中獲得手指觸控信息，并進行屏幕指示、操作控制或數(shù)據的存儲、轉發(fā)等活動。

下面的例程代碼（見網絡版）展示了ARM926T內核的S3C2440微處理器平臺上測試OFN模組A2815性能的情形。中斷服務程序中進行I2C或SPI總線操作，獲得手指觸控信息，在LCD屏上以“鼠標”形式隨動顯示，并通過UART接口上傳數(shù)據給PC機。

3.2? Nucleus MTK手機應用

聯(lián)發(fā)科技MediaTek推出的各種款式功能手機，以高度的性價比具有極高的市場份額，其內核是ARM7EJS或ARM9EJS微處理器，在MentorATI的優(yōu)先級搶占調度和時間片輪轉的多任務ERTOS--Nucleus基礎上，形成了完整的人機接口MMI（Man Machine Interface）應用程序體制，俗稱“MTK”。Nucleus MTK多數(shù)情況下采用可管理的逐級中斷機制：低級中斷LISR（Lower ISR）→高級中斷HISR（High ISR）→中斷任務處理ISR（Interrupt Serve Routine）。ISR可以與其他任務進行通信或同步的交互。

Nucleus MTK系統(tǒng)不支持鼠標，但支持鍵盤和觸摸屏操作，而觸摸屏操作最終歸結在鍵盤操作上。因此在Nucleus MTK下應用OFN模組，需要把OFN的“觸控”信息轉換為“方向動作”信息，進而廣播為可以公用的“方向按鍵”信息，從而為多數(shù)現(xiàn)有的和未來的應用程序所共享。不容忽視的是必須實現(xiàn)高度頻繁的OFN信息與緩慢的方向按鍵之間的合理匹配，可以通過均值濾波和邏輯分析進行取舍算法達到這一目的。

需要注意的是，Nucleus MTK軟件體系層次和等級較為嚴格，高低層之間除了通信、同步和信息傳遞，一般不允許函數(shù)互相調用；同時，為保證中斷響應的及時性，不應在中斷服務程序中作過多的停留，因此傳統(tǒng)的設備驅動及其分析處理需要放在不同的層次上，按輕重緩急，分別加以實現(xiàn)。

按照上述Nucleus MTK的設備驅動規(guī)范和OFN信息的運用機理，設計OFN模組的Nucleus MTK軟件應用如下：定義OFN特定消息結構，分配中斷形式和總線接口；實時獲取OFN移動信息，取舍處理后，打包成OFN消息包，上傳MMI應用處理層；MMI應用處理層拆包分析，變換成方向按鍵的“按下”和“釋放”消息，進而廣播給整個系統(tǒng)。相關的關鍵程序開發(fā)如下：

① 基本設置。增加全局操作常量MSG_ID_MMI_OFN_MOVE_REQ，定義OFN消息結構體ofn_hdr_ind_struct{LOCAL_PARA_HDR, kal_uint8 Direction}，并在系統(tǒng)自定義設備驅動的初始化文件中加入對OFN初始化函數(shù)的調用。

② 底層驅動程序設計。限于篇幅，這里僅列出I2C接口的定時器中斷查詢實現(xiàn)。

③ 公用信息形成。在上層主要程序文件MMITask.c中添加代碼。

3.3? Windows CE/Mobile應用

Windows CE/Mobile是一款在嵌入式系統(tǒng)，特別是智能手機中，廣泛應用的EOS。Windows CE/Mobile按照“物理中斷IRQ（Interrupt ReQuest）→邏輯中斷SYSINTR（System Interrupt）→中斷服務線程IST（Interrupt Serve Thread）”的層層映射方式進行中斷處理，其設備驅動程序以用戶態(tài)下的DLL（Dynamic Link Library）文件形式存在，區(qū)分為本地與流接口驅動、獨立與雙層驅動，可以在系統(tǒng)啟動時自動加載或動態(tài)加載。啟動時加載的驅動程序，需要特別進行注冊表的配置添加。

OFN模組及其應用特點決定了在Windows CE/Mobile下，其驅動程序宜設計為獨立的本地驅動形式，并在系統(tǒng)啟動時能夠自動加載。Windows CE/Mobile支持鼠標操作，有鼠標消息結構體的系統(tǒng)定義，可以用來簡化OFN的驅動程序。OFN模組的Windows CE/Mobile軟件應用可以完全在驅動程序中實現(xiàn)，中斷服務程序的編寫和系統(tǒng)注冊表的配置添加是OFN模組Windows CE/Mobile驅動程序設計的關鍵。以I2C總線接口、外部中斷事件觸發(fā)方式說明OFN模組Windows CE/Mobile驅動程序的具體實現(xiàn)，核心微處理器為ARM926T內核的S3C2440。

3.4? ARMLinux/Android應用

ARMLinux/Android是一個源碼開放、音/視頻性能優(yōu)良、網絡功能強大、易于擴展開發(fā)的EOS及其應用體系，一經推出就在便攜式移動通信、微型筆記本電腦等諸多領域得到了廣泛運用。其底層多是基于CortexA8/A9、ARM1176、ARM9EJS等內核的微處理器。Linux下設備驅動規(guī)范是將設備視作文件操作，稱為“設備文件”，應用十分方便。其設備驅動程序分為字符型、塊型和網絡型三類，嵌入式系統(tǒng)的大多數(shù)外設或接口都可以作為字符型設備進行驅動。根據應用的特點，Linux將所有輸入設備歸為可以數(shù)據緩沖的鏈表結構的字符型輸入子類（Input），包括鼠標、鍵盤、觸摸屏等，其中鼠標類驅動（mousedev）架構體系十分完備。ARMLinux/Android體系的這些特征，使得OFN模組的驅動應用開發(fā)簡便了很多：可以按照鼠標類驅動的實例化方式，快速實現(xiàn)OFN的驅動程序設計。Linux驅動可以動態(tài)加載，也可以在啟動時加載；OFN設備使用頻繁，宜選擇啟動時加載。這里以常見的TI推出的CortexA8內核的OMAP3530微處理器平臺為例，關鍵的程序代碼略--編者注。

4 結語

光學手指導航模組，性能高度集成，成本低，形體小，在嵌入式應用系統(tǒng)中備受青睞。只要按照各種嵌入式應用體系的具體特點，遵循各類嵌入式體系及其操作系統(tǒng)下驅動軟件的開發(fā)規(guī)律，并因地制宜，具體情況具體分析，就可以無縫地將其融入到各個已有的嵌入式應用軟硬件體系中，并拓展到新的嵌入式應用產品中。不斷豐富完善的微型光學手指導航模組，應用前景極好，推動著人機輸入界面的深遠變革和長足發(fā)展。