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计算机鼠标工作原理

高工
2014-06-12 10:33:17    评分

计算机鼠标工作原理


鼠标的发展简介鼠标的内部结构鼠标的诞生鼠标接口
光电鼠标光电鼠标的精度无线鼠标配对和安全性
蓝牙鼠标为什么叫蓝牙?射频鼠标多媒体鼠标和遥控器鼠标
游戏鼠标鼠标的横纵滚轮

鼠标的发展简介

1984年,随着Apple Macintosh的推出,鼠标也一同跃上舞台。从此在它们的帮助下,计算机的使用方法得以彻底重新定义。

在您计算机使用生涯的每一天,只要想移动光标或者激活某些内容,您都会伸出手使用鼠标。鼠标感知您的手部移动和单击并将它们发送给计算机,使计算机能够做出相应的响应。

这款微软智能鼠标利用了光学技术。
这款微软智能鼠标利用了光学技术。

在本文中,我们将揭开人机界面这一重要部分的神秘面纱并了解它的工作原理。

鼠标的诞生


鼠标的简单与高效令人赞叹。同样令人吃惊的是鼠标变成日常生活的一部分经历了漫长的时间。考虑到人们在讲述之前会自然而然地先指向相关物体,一种出色的指针设备经历了如此漫长的发展过程真是令人惊讶。尽管在上世纪60年代就已经存在对鼠标的初步构思,但直到过了几十年之后鼠标才成为主流。

在初期,由于计算机使用类似于电传打字机或穿孔卡的粗糙界面进行数据输入,因而不需要进行指向。早期的文本终端只是在模仿电传打字机(将屏幕替换为纸),因此经过许多年(上世纪整个60年代到70年代)箭头键才出现在多数终端上。全屏幕编辑器首次真正地利用光标键,它们为人类提供了第一种指向方法。

光笔很多年来在各种机器上作为指针设备。图形输入板、操纵杆及其他各种设备也在上世纪70年代大行其道。然而,这些设备实际上都没有作为选择的指针设备受到普遍欢迎。

当鼠标连接到Mac计算机并登上舞台时便一举成功。鼠标的某些方面是非常自然的。与绘图式屏幕相比,鼠标非常便宜并且仅占用一点儿桌面空间。在PC世界中,由于缺乏操作系统的支持,鼠标用了较长的时间才得以普及。在 Windows 3.1使图形用户界面(GUI)成为标准后,鼠标很快成为了所选的人机接口方式。

鼠标的内部结构

所有鼠标的主要目的都是将手部运动转换为计算机可以读取的信号。让我们来看一下轨迹球鼠标的内部结构,从而了解其工作原理:

鼠标的内部部件
鼠标的内部部件


  1. 鼠标内部的滚球接触桌面并在鼠标移动时滚动。

    鼠标逻辑板的底面:滚球露出的一部分与桌面接触。
    鼠标逻辑板的底面:滚球露出的一部分与桌面接触。


  2. 鼠标内部的两根辊轴与滚球接触。一根辊轴定向为可检测X方向的运动,另一根辊轴与第一根辊轴成90度,可以检测Y方向的运动。当滚球转动时,一根或两根辊轴也会转动。下图显示了此鼠标中的两根白色的辊轴:

    与滚球接触的辊轴检测X方向和Y方向的运动。
    与滚球接触的辊轴检测X方向和Y方向的运动。

  3. 每根辊轴都与一个轴连接,该轴旋转一个上面有孔的圆盘。当辊轴滚动时,与其连接的轴和圆盘也会旋转。下图显示了圆盘:

    典型的光学译码盘:此圆盘的外边缘周围有36个孔。
    典型的光学译码盘:此圆盘的外边缘周围有36个孔。

  4. 圆盘的一侧有一个红外线LED,另一侧有一个红外线传感器。圆盘中的孔使LED发出的光束中断,因此红外线传感器可以感应到光线脉冲。脉冲频率与鼠标移动的速度和距离直接相关。

    跟踪鼠标运动的光学译码盘的特写
    跟踪鼠标运动的光学译码盘的特写:圆盘的一侧有一个红外线 LED(透明),另一侧有一个红外线传感器(红色)。请注意红外线传感器(红色)与译码盘之间的那块塑料。

  5. 板上处理器芯片读取来自红外线传感器的脉冲并将它们转换为计算机可以理解的二进制数据。该芯片通过鼠标线缆将二进制数据发送给计算机。

编码器芯片在鼠标的逻辑部分占有重要地位
编码器芯片在鼠标的逻辑部分占有重要地位,这种小型处理器读取来自红外线传感器的脉冲并将它们转换成发送到计算机的字节。您还可以看到两个用来检测单击活动的按钮(在线缆连接器的两侧)。

在这种光学机械布局内,圆盘做机械运动,光学系统对光线脉冲计数。在这个鼠标中,滚球的直径为21毫米,辊轴的直径为7毫米。译码盘上有36个孔。因此,如果鼠标移动25.4毫米(1英寸),编码器芯片就会检测到41个光线脉冲。

您可能已经注意到,每个译码盘有两个红外线LED和两个红外线传感器,译码盘的一侧有两个红外线LED,另一侧有两个红外线传感器,这样鼠标内部就有四对LED/传感器。通过这种布局,处理器能够检测到圆盘的转动方向。译码盘与每个红外线传感器之间有一块塑料,其上有一个精确定位的小孔。

红外线传感器通过这块塑料上的开口可以“看到”光线。圆盘一侧开口的位置略高于另一侧开口的位置,准确地讲是高出译码盘上孔的高度的一半。这种差异使得两个红外线传感器在略微不同的时间看到光线脉冲。有些时候,一个传感器可以看到光线脉冲而另一个传感器看不到,反之亦然。本页对如何确定方向进行了详细介绍。

鼠标接口

数据接口
目前,市场中的多数鼠标都使用USB接头连接到计算机上。USB是一种将各种类型的外围设备(包括打印机、数码相机、键盘和鼠标)连接到计算机的标准方式。有关这项技术的更多信息,请参见USB端口工作原理。

一些现在还在使用的老式鼠标会有一个PS/2型接头,如下所示:

典型的PS/2接头。
典型的PS/2接头。

还有其他一小部分老式鼠标使用一种串行接头与计算机相连,而不是使用PS/2接头。

光电鼠标

光电鼠标由安捷伦科技开发并于1999年底问世。这种鼠标实际上采用了一个每秒钟可以拍摄几千张图片的微型相机。

多数光电鼠标几乎可以在任何表面上工作而不需要使用鼠标垫,它们采用一个小型的红色发光二极管(LED)向鼠标工作表面发出光线,光线反射到互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器上。除LED外,最近的一项创新是基于激光的光电鼠标,与LED技术相比这种鼠标可以检测到更多鼠标底部表面的细节。这样较之于LED鼠标,基于激光的鼠标可在更多表面上使用。

下面介绍光电鼠标的传感器与其他部件如何协同工作:

  • CMOS传感器将每一幅图像都发送给数字信号处理器(DSP)进行分析。
  • DSP检测各图像中的图案,并分析图像中图案的位置如何变动。
  • 根据一系列图像中图案位置的变化,DSP确定鼠标的移动距离并将相应坐标发送给计算机。
  • 计算机根据从鼠标接收到的坐标信息,移动屏幕上的光标。这个过程每秒发生数百次,使得光标的移动看上去非常流畅。

在这张照片中,可以看到鼠标底部的传感器。
在这张照片中,可以看到鼠标底部的传感器。

与轨迹球鼠标相比,光电鼠标具有下列优势:

  • 没有可移动的零部件,这意味着磨损更少、故障率更低。
  • 灰尘无法进入鼠标内部并干扰跟踪传感器。
  • 增加的跟踪分辨率意味着响应更顺畅。
  • 不需要鼠标垫等专用表面。

苹果公司将自己的光电鼠标转变成了一件时髦的艺术品。
苹果公司将自己的光电鼠标转变成了一件时髦的艺术品。

推陈出新
另一种类型的光电鼠标已经存在了十多年。在最初的光电鼠标技术中,一束汇聚的光线发射到一个反射率很高的鼠标垫,然后从鼠标垫表面反射到传感器上。鼠标垫上有由较暗的线条构成的网格。每次移动鼠标时,网格会使光束中断。光束中断时,传感器会向计算机发送一个信号并且光标会移动相应的量。
这种光电鼠标很难使用,要求您在握住它的时候必须使其与鼠标垫正好成直角,才能确保光束和传感器对齐。此外,如果鼠标垫损坏或遗失,那么在买到新的鼠标垫之前,这种鼠标将无法使用。而当今的光电鼠标对于用户更加友好并且更加可靠。

光电鼠标的精度

许多因素影响着光电鼠标的精度,其中最重要的一个方面是分辨率。分辨率是在您移动鼠标时光学传感器及聚焦透镜所能“看到”的每英寸的像素数。分辨率表示为点每英寸(dpi)。分辨率越高,鼠标就越灵敏,而且移动鼠标以获得响应所需的距离就越短。

多数鼠标的分辨率为400或800dpi。然而,专为电子游戏而设计的鼠标可提供高达1600dpi的分辨率。某些游戏鼠标允许您在玩的过程中降低分辨率,让鼠标在需要进行小幅度、慢速运动的情况下灵敏度低一些。

过去很长一段时间内,有线鼠标的响应速度较之无线鼠标更为迅速。然而,随着无线技术及光学传感器的改进,这个事实正在改变。影响鼠标质量的其他因素包括:

  • 光学传感器的大小——如果其他鼠标部件可以应付的话,尺寸越大越好。大小从16x16像素到30x30像素不等。
  • 刷新率——指的是在您移动鼠标时传感器采集图像的频率。如果其他鼠标部件可以处理得来的话,通常是越快越好。刷新率为每秒1500到6000个图像样品。
  • 图像处理速率——指的是光学传感器的大小与刷新率的综合指标。依然是越快越好,速率为48.6万到580万像素/秒。
  • 最大速度——指的是您可以移动鼠标并获得精确轨迹的最大速度。越快越好,速度为0.4到1米/秒。

无线鼠标

多数无线鼠标使用射频(RF)技术向计算机传输信息。由于基于射频,RF设备需要两个主要部件:发射器和接收器。其工作原理如下:

  • 发射器安装在鼠标外壳内。它发送一个电磁(射频)信号将鼠标移动和所单击鼠标键的相关信息进行编码。
  • 接收器与计算机相连。它接受信号,将信号解码并传送到鼠标驱动程序软件和计算机操作系统。
  • 接收器可以是插入计算机中的单独设备、插入扩展插槽内的专用卡,也可以是内置部件。

MX900和扩展坞
Logitech供图
MX900和扩展坞

许多电子设备都使用射频进行通信,包括手机、无线网络和车库自动门。为了在通信时不产生冲突,不同类型的设备指定了不同的频率。较新式的手机使用的频率为900兆赫,车库自动门的工作频率为40兆赫,而802.11b/g无线网络的工作频率为2.4千兆赫。兆赫(MHz)表示“每秒100万周”,“900兆赫”表示“每秒有9亿个电磁波”。千兆赫(GHz)表示“每称10亿周”。要了解有关RF和频率的更多信息,请参见无线电频谱工作原理。

优势

与常用于短距离无线通信的红外线技术(如电视遥控器)不同,RF设备在发射器(鼠标)和接收器之间不需要畅通的瞄准线。正如使用无线电波通信的其他类型的设备一样,无线鼠标信号可以穿过桌子或显示器等障碍物。

RF技术为无线鼠标提供了大量额外优势,其中包括:

  • RF发射器需要很低的功率,可以使用电池操作
  • RF部件很便宜
  • RF部件重量轻

与目前市场中的多数鼠标一样,无线鼠标采用光学传感器技术而非早期的轨迹球系统。光学技术提高了精度,并且几乎可以让您在任何表面上使用无线鼠标——就线缆不再将您束缚在计算机附近这一点上来说,这是一个重要功能。

配对和安全性

为了使鼠标中的发射器与其接收器通信,它们二者必须配对。这意味着,这两个设备使用一个公共识别码以相同的频率在同一个信道工作。信道仅仅是一个特定频率的代码。配对目的是排除自其它源和RF设备的干扰。

配对方法随鼠标厂商而不同。某些设备在提供时已经预先配对。其他设备则使用配对序列等方法,当您按特定按钮或者转动接收器和/或鼠标上的滚轮时,配对会自动开始。

为了保护鼠标向接收器发送的信息,多数无线鼠标都包括一个加密方案将数据加密为不可读取的格式。一些设备还使用一种跳频方法,使得鼠标和接收器按照预定方式自动改变频率。这样可以进一步防止干扰和窃听。

蓝牙鼠标

无线鼠标普遍采用的一种RF技术是蓝牙。蓝牙技术可以将打印机、耳机、键盘和鼠标等外设与计算机和掌上型电脑(PDA)等支持蓝牙的设备进行无线连接。由于蓝牙接收器可以一次支持多个蓝牙外设,因此蓝牙也称为个人局域网 (PAN)。蓝牙设备的传输范围大约为10米。

蓝牙使用RF技术在2.4GHz的频带上工作。它通过一种称为扩频跳频的技术避免了多个蓝牙外设之间的干扰。802.11b/g无线网络等无线上网设备也在2.4GHz频带上工作,同样的还有一些无绳电话和微波炉。1.2版本的蓝牙提供了自适应跳频(AFH),这是一种专门避免与其他2.4GHz通信之间发生干扰的增强型跳频技术。

为什么叫蓝牙?

Harald Bluetooth是公元10世纪末期的丹麦国王。他努力将丹麦及挪威的一部分统一为一个王国并将基督教引入丹麦。他留下了一块大型纪念碑“Jelling神谕古文石”来纪念他的父母。Harald Bluetooth于公元986年在与儿子Svend Forkbeard的一场战争中被杀死。选择这一名称作为标准是要表明来自波罗的海地区(包括丹麦、瑞典、挪威和芬兰)的公司对通信行业的重要性,即使该名称与这种技术的工作原理毫不粘边。

射频鼠标

另一种常见的无线鼠标是工作频率为27MHz、传输距离大约为2米的RF设备。最近,2.4GHz的射频鼠标进入市场,它的传输距离更远(大约10米),而且传输速度更快、干扰更少。一个房间内有多个射频鼠标可能会导致串扰,这意味着接收器可能无意间接收来自错误鼠标的信息传输。配对与多信道有助于避免这个问题。
一般情况下,RF接收器插入USB端口并且不接受除鼠标(可能还有与鼠标一起销售的键盘)以外的任何外设。专供笔记本电脑配套使用的一些便携式鼠标带有一个紧凑型接收器,不使用时可以放在鼠标内部的插槽中。

与鼠标有关的提示
如果您想使用无线射频鼠标和键盘,请一起购买它们。每个厂商和设备的配对与传输技术是各不相同的。如果您单独购买RF无线键盘和鼠标,您可能需要将它们各自的接收器连接到PC上。

鼠标创新

配合使用
一些PC键盘与鼠标设计为配套使用,以便为您提供更多输入选项。例如,Logitech Cordless Desktop LX700提供了一个具备滚动、平移和缩放功能的键盘,鼠标也包括同样的功能。因此您可以使用其中任一种来执行这些功能。

与许多计算机相关设备一样,鼠标也正在与其他的小配件和技术融合起来,创造出更好的多功能设备。例如多媒体鼠标、遥控器鼠标、游戏鼠标、生物识别鼠标、横纵滚轮鼠标与运动传感鼠标等。让我们从多媒体鼠标与遥控器鼠标入手来了解有关鼠标技术创新的更多信息。

多媒体鼠标和遥控器鼠标

这些类型的鼠标用于多媒体系统,例如 Windows XP Media Center Edition计算机。一些鼠标在鼠标功能的基础上增加了额外的用于控制媒体的按钮(如播放、暂停、前进、后退和音量调节)。其他类型的鼠标则类似于一个添加了鼠标功能的电视/媒体播放遥控器。遥控器一般使用红外线传感器,但有些遥控器同时使用红外线技术和RF技术以获得更大的传输范围。

游戏鼠标

游戏鼠标是高精度的光电鼠标,专门用于PC和游戏控制器。它可能包括下列功能:

多个按钮,用于增加灵活性以及在玩游戏的同时调整分辨率等
无线连接和光学传感器
运动反馈和双向通信
运动传感鼠标

目前,鼠标技术的另一项创新是运动传感控制。利用此功能,在空中摆动鼠标即可控制鼠标指针。

一家名为Gyration的厂商取得了这项技术的专利。这项技术采用微型陀螺仪来跟踪在空中挥动鼠标时鼠标的运动。它采用电磁换能器与传感器同时检测两个轴方向的旋转。该鼠标基于科里奥利效应工作,指的是一个物体相对于另一个旋转物体运动时的明显转动。该设备与随附软件将鼠标运动转换为计算机屏幕上的运动。这种鼠标还带有一个光学传感器以便在桌面上使用。

生物识别鼠标

生物识别鼠标仅允许授权用户控制鼠标和访问计算机,因而增加了计算机系统的安全性。这是通过一个集成到接收器或鼠标内的指纹读取器来实现的。由于使用指纹而不是密码进行安全登录,因此这种技术在增强安全性的同时也带来了方便。

带有指纹读取器的Wireless IntelliMouse Explorer是款生物识别鼠标。
带有指纹读取器的Wireless IntelliMouse Explorer是款生物识别鼠标。

要使用生物功能,与鼠标一同提供的软件程序需要记录指纹并存储有关授权用户的信息。某些软件程序还允许您对文件进行加密和解密。有关生物识别指纹技术的更多信息,请参见指纹扫描仪工作原理。


鼠标的横纵滚轮

鼠标滚动功能中最新的一项创新是横纵滚轮。它允许您在水平方向和垂直方向滚动屏幕。当您查看网页或电子表格等较宽的文档时,这种在两个方向滚动的功能非常方便。

要在水平和垂直方向上导航,滚轮需要位于支点与杠杆结合的位置上。罗技 Cordless Click! Plus鼠标采用了这种设计。

Logitech Cordless Click! Plus
Logitech Cordless Click! Plus

另一种垂直与水平滚动方式是可以响应手指水平和垂直滑动的触控滚动面板。罗技V500无线笔记本鼠标采用了这种技术。

Logitech V500无线笔记本鼠标
罗技V500无线笔记本鼠标




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