新興微型光學手指導航模組的嵌入式系統開發

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“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SoC投入正常工作狀態，紅外LED發光，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，形成運動數據，并及時通過數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，以節省功耗。

　　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，進而實現傳統鼠標的各種功能。

　　OFN形成的數據信息一般包括兩類：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，有效感光孔徑在1.5 mm×1.5 mm以內，厚度在28~51 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、更低的電源供應發展。

　　④ 靈活的多接口支持。可以通過常規數字接口I2C（InterIntegrated Circuit）或SPI（Serial Peripheral Interface）上傳數據或接受主機配置，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 位移數據設置。通常為8位補碼格式。

　　⑦ 優良的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（3rdGeneration）智能手機（smart phone），無論是Nucleus MTK、ThreadX艙寡浮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過程控制、儀表儀器設備等行業領域，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的不斷完善發展。