基于嵌入式的微型光學(xué)手指導(dǎo)航模組設(shè)計 - 全文

??????? 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(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(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(guān)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(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)對強光輻射干擾及外界濕度變化影響。

　　運動相關(guān)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(yù)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(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。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。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。

　?、?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?？梢酝ㄟ^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(fù)位和開關(guān)的形式接受主機統(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位補碼格式。

　　⑦ 優(yōu)良的EMC/EMI設(shè)計，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，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(dǎo)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(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，也在悄然進行OFN的擴展應(yīng)用。

　　OFN應(yīng)用前景十分壯觀，需求推動著OFN的應(yīng)用，應(yīng)用促進著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(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產(chǎn)品，當(dāng)然成本也會越高。便攜式消費產(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。

　　這里重點說明一下OFN的復(fù)合功能，導(dǎo)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(fù)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(dǎo)航功能。為適合常用的“點擊確認”需求，構(gòu)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(yīng)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(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

　　嵌入式系統(tǒng)中引入OFN，硬件電路設(shè)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(gòu)成簡潔的RC濾波電路加以實現(xiàn)。

　　◆? 驅(qū)動能力的增強?？梢酝ㄟ^上拉電阻簡單加以實現(xiàn)。

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

　　圖1給出了一種典型的OFN模組硬件電路設(shè)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(fù)位和開關(guān)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(shè)計示意圖

　　對于抗干擾、驅(qū)動和適應(yīng)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(yīng)視所選用的OFN模組的性能和電路設(shè)計需求而定。電路設(shè)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(guān)的估算公式，特別是PCB或FPC的印制板設(shè)計。

　　2.3? 軟件體系設(shè)計

　　OFN模組，作為一種新興的人機輸入微型接口設(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現(xiàn)對OFN模組的驅(qū)動才能及時地從中得到來自O(shè)FN的各種信息。

　　OFN模組的驅(qū)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(shè)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(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(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(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(yīng)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(zhuǎn)發(fā)等活動，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)用體系的主機系統(tǒng)，還需要對OFN信息進行數(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)動程序中實現(xiàn)，操作復(fù)雜的則需要在應(yīng)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(qū)動程序需要遵循相應(yīng)EOS公用驅(qū)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(qū)動、動態(tài)庫形式，ARMLinux的字符設(shè)備驅(qū)動、動態(tài)加/卸載、VxWorks的I/O設(shè)備驅(qū)動等。OFN驅(qū)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(qū)動程序。EOS驅(qū)動程序可以劃分為專用驅(qū)動程序或公用驅(qū)動程序兩大類，公用驅(qū)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。

　　3? 微型光學(xué)手指導(dǎo)航模組應(yīng)用實踐

　　在各類嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中開發(fā)使用OFN模組，軟硬件體系設(shè)計的核心是OFN驅(qū)動程序的實現(xiàn)，其關(guān)鍵在于OFN數(shù)據(jù)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(yīng)用開發(fā)設(shè)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(qū)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(yīng)用

　　工農(nóng)業(yè)過程控制、儀表儀器設(shè)備、器件性能檢測等軟件體系或微型ERTOS下的OFN應(yīng)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(wù)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(jù)的存儲、轉(zhuǎn)發(fā)等活動。

　　下面的例程代碼（見網(wǎng)絡(luò)版）展示了ARM926T內(nèi)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(wù)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(jù)給PC機。

　　3.2? Nucleus MTK手機應(yīng)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(nèi)核是ARM7EJS或ARM9EJS微處理器，在MentorATI的優(yōu)先級搶占調(diào)度和時間片輪轉(zhuǎn)的多任務(wù)ERTOS--Nucleus基礎(chǔ)上，形成了完整的人機接口MMI（Man Machine Interface）應(yīng)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(wù)處理ISR（Interrupt Serve Routine）。ISR可以與其他任務(wù)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(jié)在鍵盤操作上。因此在Nucleus MTK下應(yīng)用OFN模組，需要把OFN的“觸控”信息轉(zhuǎn)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(yīng)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(diào)用；同時，為保證中斷響應(yīng)的及時性，不應(yīng)在中斷服務(wù)程序中作過多的停留，因此傳統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)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(shè)備驅(qū)動規(guī)范和OFN信息的運用機理，設(shè)計OFN模組的Nucleus MTK軟件應(yīng)用如下：定義OFN特定消息結(jié)構(gòu)，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(yīng)用處理層；MMI應(yīng)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(guān)的關(guān)鍵程序開發(fā)如下：

　　① 基本設(shè)置。增加全局操作常量MSG_ID_MMI_OFN_MOVE_REQ，定義OFN消息結(jié)構(gòu)體ofn_hdr_ind_struct{LOCAL_PARA_HDR, kal_uint8 Direction}，并在系統(tǒng)自定義設(shè)備驅(qū)動的初始化文件中加入對OFN初始化函數(shù)的調(diào)用。

　?、?底層驅(qū)動程序設(shè)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(yīng)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(yīng)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(wù)線程IST（Interrupt Serve Thread）”的層層映射方式進行中斷處理，其設(shè)備驅(qū)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(qū)動、獨立與雙層驅(qū)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(qū)動程序，需要特別進行注冊表的配置添加。

　　OFN模組及其應(yīng)用特點決定了在Windows CE/Mobile下，其驅(qū)動程序宜設(shè)計為獨立的本地驅(qū)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(jié)構(gòu)體的系統(tǒng)定義，可以用來簡化OFN的驅(qū)動程序。OFN模組的Windows CE/Mobile軟件應(yīng)用可以完全在驅(qū)動程序中實現(xiàn)，中斷服務(wù)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(qū)動程序設(shè)計的關(guān)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(qū)動程序的具體實現(xiàn)，核心微處理器為ARM926T內(nèi)核的S3C2440。

　　3.4? ARMLinux/Android應(yīng)用

　　ARMLinux/Android是一個源碼開放、音/視頻性能優(yōu)良、網(wǎng)絡(luò)功能強大、易于擴展開發(fā)的EOS及其應(yīng)用體系，一經(jīng)推出就在便攜式移動通信、微型筆記本電腦等諸多領(lǐng)域得到了廣泛運用。其底層多是基于CortexA8/A9、ARM1176、ARM9EJS等內(nèi)核的微處理器。Linux下設(shè)備驅(qū)動規(guī)范是將設(shè)備視作文件操作，稱為“設(shè)備文件”，應(yīng)用十分方便。其設(shè)備驅(qū)動程序分為字符型、塊型和網(wǎng)絡(luò)型三類，嵌入式系統(tǒng)的大多數(shù)外設(shè)或接口都可以作為字符型設(shè)備進行驅(qū)動。根據(jù)應(yīng)用的特點，Linux將所有輸入設(shè)備歸為可以數(shù)據(jù)緩沖的鏈表結(jié)構(gòu)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(qū)動（mousedev）架構(gòu)體系十分完備。ARMLinux/Android體系的這些特征，使得OFN模組的驅(qū)動應(yīng)用開發(fā)簡便了很多：可以按照鼠標類驅(qū)動的實例化方式，快速實現(xiàn)OFN的驅(qū)動程序設(shè)計。Linux驅(qū)動可以動態(tài)加載，也可以在啟動時加載；OFN設(shè)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(nèi)核的OMAP3530微處理器平臺為例，關(guān)鍵的程序代碼略--編者注。

　　4 結(jié)語

　　光學(xué)手指導(dǎo)航模組，性能高度集成，成本低，形體小，在嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中備受青睞。只要按照各種嵌入式應(yīng)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(qū)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(yīng)用軟硬件體系中，并拓展到新的嵌入式應(yīng)用產(chǎn)品中。