电脑鼠标如何工作

这款 Microsoft Intellimouse 采用光学技术。查看更多 电脑硬件图片。

鼠标于1984年随着Apple Macintosh的推出首次进入公众视野,从那时起,它们彻底改变了我们使用电脑的方式。

在您的日常电脑使用中,每当您想移动光标或激活某些功能时,您都会去触摸您的鼠标。您的鼠标会感应您的移动和点击,并将其发送给电脑,以便电脑做出相应的响应。

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在本文中,我们将揭开这个人机界面重要组成部分的面纱,看看它究竟是如何运作的。

电脑鼠标的演变

鼠标的简单和高效令人惊叹,同时,鼠标成为日常生活中一部分所花费的时间也令人惊叹。考虑到人们自然会指向事物——通常在说话之前——一个好的指向设备竟然花了这么长时间才发展起来,这令人惊讶。尽管鼠标最初在1960年代就被构想出来,但又过了几十年才成为主流。

最初,没有指向的需求,因为电脑使用电传打字机或打孔卡等粗糙的界面进行数据输入。早期的文本终端仅仅是模拟电传打字机(用屏幕代替纸张),因此直到许多年之后(1960年代末和1970年代初),大多数终端才出现方向键。全屏编辑器是第一个真正利用光标键的程序,它们为人类提供了第一种指向方式。

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光笔多年来被用于各种机器作为指向设备,图形输入板、操纵杆和各种其他设备在1970年代也很流行。然而,这些设备都没有真正成为首选的指向设备。

当鼠标问世时——与Mac绑定,它立即获得了成功。它有一些完全自然的东西。与图形输入板相比,鼠标非常便宜,而且占用的桌面空间很小。在PC世界中,鼠标获得普及花费了更长时间,主要是因为操作系统缺乏支持。一旦Windows 3.1使图形用户界面(GUI)成为标准,鼠标很快就成为PC人机界面的首选。

鼠标内部

鼠标内部结构

任何鼠标的主要目标都是将您手的移动转化为电脑可以使用的信号。让我们来看看轨迹球鼠标的内部,了解它是如何工作的

  1. 鼠标内部的接触桌面,当鼠标移动时会滚动。鼠标逻辑板的底部:球的暴露部分接触桌面。
  2. 鼠标内部的两个滚轮接触球。其中一个滚轮的方向用于检测X方向的运动,另一个滚轮的方向与第一个滚轮成90度,因此它检测Y方向的运动。当球旋转时,这两个滚轮中的一个或两个也会旋转。下图显示了这款鼠标上的两个白色滚轮:接触球并检测X和Y方向运动的滚轮
  3. 滚轮分别连接到一个上,该轴带动一个带孔的圆盘旋转。当滚轮滚动时,其轴和圆盘也会旋转。下图显示了该圆盘:典型的光电编码盘:该圆盘外边缘有36个孔。
  4. 在圆盘的两侧分别有一个红外LED和一个红外传感器。圆盘上的孔会阻断来自LED的束,因此红外传感器会看到光脉冲。脉冲的速率与鼠标的速度及其移动距离直接相关。鼠标运动追踪器之一的光学编码器特写:圆盘一侧有一个红外LED(透明),另一侧有一个红外传感器(红色)。
  5. 一个板载处理器芯片读取红外传感器发出的脉冲,并将其转换为电脑能够理解的二进制数据。该芯片通过鼠标线将二进制数据发送到电脑。
鼠标的逻辑部分主要由一个编码芯片组成,这是一个小型处理器,它读取来自红外传感器的脉冲,并将其转换为发送到电脑的字节。您还可以看到检测点击的两个按钮(位于线缆连接器的两侧)。

在这种光机械配置中,圆盘机械地移动,光学系统计数光脉冲。在这款鼠标上,球的直径为21毫米。滚轮的直径为7毫米。编码盘有36个孔。因此,如果鼠标移动25.4毫米(1英寸),编码芯片会检测到41个光脉冲。

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您可能已经注意到,每个编码盘都有两个红外LED和两个红外传感器,圆盘的每一侧各一个(因此鼠标内部有四对LED/传感器)。这种配置允许处理器检测圆盘的旋转方向。在编码盘和每个红外传感器之间有一个带有小而精确孔洞的塑料片。它在这张照片中可见。

鼠标运动追踪器之一的光学编码器特写:请注意红外传感器(红色)和编码盘之间的塑料片。

这片塑料提供了一个窗口,红外传感器可以通过它“看到”。圆盘一侧的窗口位置略高于另一侧——确切地说,高出编码盘中一个孔洞高度的一半。这种差异导致两个红外传感器在略微不同的时间看到光脉冲。有时一个传感器会看到光脉冲而另一个看不到,反之亦然。此页面很好地解释了如何确定方向。

连接电脑鼠标

典型的PS/2连接器。

现今市场上的大多数鼠标都使用USB连接器连接到电脑。USB是连接各种外设(包括打印机、数码相机、键盘和鼠标)到电脑的标准方式。有关此技术的更多信息,请参阅USB端口如何工作

­ 一些较旧的鼠标(其中许多至今仍在使用)带有PS/2型连接器。除了PS/2连接器,少数其他较旧的鼠标使用串行连接器连接到电脑。有关更多信息,请参阅串行端口如何工作

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光学鼠标

在这张照片中,您可以看到鼠标底部的传感器。

­ 光学鼠标由Agilent Technologies开发并于1999年末向世界推出,它实际上使用一个微型摄像头每秒拍摄数千张照片。

大多数光学鼠标无需鼠标垫即可在几乎任何表面上工作,它们使用一个小型红色发光二极管(LED),将光线从表面反射到互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器上。除了LED,最近的创新是基于激光的光学鼠标,与LED技术相比,它们能检测更多表面细节。这使得激光光学鼠标能够在比LED鼠标更多的表面上使用。

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以下是光学鼠标的传感器和其他部件协同工作的方式

  • CMOS传感器将每张图像发送到数字信号处理器(DSP)进行分析。
  • DSP检测图像中的模式,并检查这些模式自上一张图像以来如何移动。
  • 基于图像序列中模式的变化,DSP确定鼠标移动的距离,并将相应的坐标发送到电脑。
  • 电脑根据从鼠标接收到的坐标移动屏幕上的光标。这每秒发生数百次,使得光标看起来移动得非常流畅。

光学鼠标相对于轨迹球鼠标有以下几个优点

  • 没有活动部件意味着更少的磨损和更低的故障率。
  • 灰尘无法进入鼠标内部干扰追踪传感器。
  • 提高追踪分辨率意味着更流畅的响应。
  • 它们不需要特殊的表面,如鼠标垫。

光学鼠标的精度

许多因素都会影响光学鼠标的精度。其中最重要的一个方面是分辨率。分辨率是当您移动鼠标时,光学传感器和聚焦镜头“看到”的每英寸像素数。分辨率以每英寸点数(dpi)表示。分辨率越高,鼠标越灵敏,您需要移动的距离越小就能获得响应。

大多数鼠标的分辨率为400或800 dpi。然而,为电子游戏设计的鼠标可以提供高达1600 dpi的分辨率。一些游戏鼠标还允许您在需要进行更小、更慢移动的情况下即时降低dpi,以使鼠标不那么灵敏。

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历史上,有线鼠标比无线鼠标响应更灵敏。然而,随着无线技术和光学传感器方面的改进,这一事实正在改变。影响质量的其他因素包括

  • 光学传感器尺寸——通常越大越好,前提是其他鼠标组件能够处理更大的尺寸。尺寸范围从16 x 16像素到30 x 30像素。
  • 刷新率——指传感器在您移动鼠标时对图像进行采样的频率。通常越快越好,前提是其他鼠标组件能够处理它们。速率范围从每秒1500到6000个样本。
  • 图像处理速率——是光学传感器尺寸和刷新率的组合。同样,越快越好,速率范围从每秒0.486到5.8百万像素。
  • 最大速度——是您移动鼠标并获得准确追踪的最大速度。越快越好,速率范围从每秒16到40英寸。

无线鼠标

MX900和充电底座
图片来源:Logitech

大多数无线鼠标使用射频(RF)技术向电脑传输信息。作为基于无线电的设备,射频设备需要两个主要组件:一个发射器和一个接收器。以下是其工作原理

  • 发射器内置于鼠标中。它发送一种电磁(无线电)信号,编码了鼠标移动和点击按钮的信息。
  • 连接到电脑的接收器接收信号,对其进行解码,然后将其传递给鼠标驱动软件和电脑的操作系统。
  • 接收器可以是插入电脑的独立设备,也可以是插入扩展槽的专用卡,或者是内置组件。

许多电子设备使用射频进行通信。例如手机无线网络和车库门开启器。为了避免冲突,不同类型的设备被分配了不同的频率。较新的手机使用900兆赫兹的频率,车库门开启器在40兆赫兹的频率下运行,而802.11b/g无线网络则在2.4千兆赫兹下运行。兆赫兹(MHz)表示“每秒一百万次循环”,因此“900兆赫兹”意味着每秒有9亿个电磁波。千兆赫兹(GHz)表示“每秒十亿次循环”。要了解更多关于RF和频率的信息,请参阅无线电频谱如何工作

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与常用于短距离无线通信(例如电视遥控器)的红外技术不同,RF设备不需要发射器(鼠标)和接收器之间有清晰的视线。就像其他使用无线电波进行通信的设备一样,无线鼠标信号可以穿透诸如桌面或您的显示器等障碍物。

RF技术为无线鼠标提供了许多额外的好处。这些包括

  • RF发射器功耗低,可以使用电池供电
  • RF组件价格便宜
  • RF组件重量轻

与当今市场上的大多数鼠标一样,无线鼠标使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,并允许您在几乎任何表面上使用无线鼠标——当您不受线缆束缚于电脑时,这是一个重要的特性。

配对与安全

为了使鼠标中的发射器能够与其接收器通信,它们必须进行配对。这意味着两个设备在同一频率、同一信道上使用共同的识别码运行。信道简单来说就是一个特定的频率和代码。配对的目的是滤除来自其他源和RF设备的干扰。

配对方法因鼠标制造商而异。有些设备预先配对。其他设备则使用配对序列等方法,这些序列会在您按下特定按钮或转动接收器和/或鼠标上的拨盘时自动发生。

为了保护鼠标传输到接收器的信息,大多数无线鼠标都包含加密方案,将数据编码为不可读的格式。有些设备还使用跳频方法,这使得鼠标和接收器根据预定模式自动改变频率。这提供了额外的干扰和窃听保护。

蓝牙鼠标

无线鼠标常用的一种RF技术是蓝牙。蓝牙技术无线连接打印机、耳机、键盘和鼠标等外设到支持蓝牙的设备,如电脑个人数字助理(PDA)。由于蓝牙接收器可以同时支持多个蓝牙外设,蓝牙也被称为个人局域网(PAN)。蓝牙设备的有效范围约为33英尺(10米)。

蓝牙使用RF技术在2.4 GHz范围内工作。它通过一种称为扩频跳频的技术避免多个蓝牙外设之间的干扰。WiFi设备,如802.11b/g无线网络,也工作在2.4 GHz范围内,一些无绳电话微波炉也是如此。蓝牙1.2版本提供了自适应跳频(AFH),这是一种增强型跳频技术,旨在避免与2.4 GHz范围内的其他通信产生干扰。

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射频鼠标

另一种常见的无线鼠标是RF设备,它在27 MHz频率下工作,有效范围约为6英尺(2米)。最近,2.4 GHz RF鼠标进入市场,其优势在于更长的范围——约33英尺(10米)以及更快的传输速度和更少的干扰。一个房间内使用多个RF鼠标可能导致串扰,这意味着接收器无意中接收到来自错误鼠标的传输。配对和多通道有助于避免此问题。

通常,RF接收器插入USB端口,除了鼠标(如果与鼠标一起销售,可能还包括键盘)之外,不接受任何其他外设。一些为笔记本电脑设计的便携型号附带一个紧凑型接收器,不使用时可以存放在鼠标内部的插槽中。

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鼠标创新

与许多电脑相关设备一样,鼠标正与其他小工具和技术结合,以创建改进的多功能设备。示例包括多媒体鼠标、组合鼠标/遥控器、游戏鼠标、生物识别鼠标、倾斜滚轮鼠标和基于运动的鼠标。要了解更多关于鼠标技术创新的信息,我们首先从多媒体鼠标和组合鼠标/遥控器开始。

­多媒体鼠标和组合鼠标/遥控器

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这些类型的鼠标与多媒体系统一起使用,例如Windows XP Media Center Edition电脑。有些结合了鼠标的功能和额外的按钮(如播放、暂停、前进、后退和音量)用于控制媒体。其他则类似于电视/媒体播放器遥控器,并增加了鼠标功能。遥控器通常使用红外传感器,但有些使用红外和RF技术的组合以获得更大的范围。

游戏鼠标

­ 游戏鼠标是高精度光学鼠标,设计用于PC和游戏控制器。其功能可能包括

  • 多个按钮,增加灵活性和功能,例如即时调整dpi速率
  • 无线连接和光学传感器
  • 运动反馈和双向通信

基于运动的鼠标

鼠标技术的另一个创新是基于运动的控制。通过此功能,您可以通过在空中挥舞鼠标来控制鼠标指针。

由制造商Gyration获得专利的技术,结合了微型陀螺仪来追踪您在空中挥舞鼠标时的运动。它使用电磁换能器和传感器同时检测两个轴的旋转。鼠标的工作原理是科里奥利效应,即相对于另一个旋转物体移动的物体出现偏转。该设备及随附软件将鼠标移动转换为电脑屏幕上的移动。这些鼠标还包括一个用于桌面使用的光学传感器。

生物识别鼠标

Wireless IntelliMouse Explorer with Fingerprint Reader 是一款生物识别鼠标。
图片来源:Microsoft Corporation

生物识别鼠标通过只允许授权用户控制鼠标和访问电脑来增加电脑系统的安全性。保护通过集成在接收器或鼠标中的指纹识别器实现。此功能增强了安全性并增加了便利性,因为您可以使用指纹而非密码进行安全登录。

要使用生物识别功能,随鼠标附带的软件程序会注册指纹并存储相应授权用户的信息。一些软件程序还允许您加密和解密文件。有关生物识别指纹技术的更多信息,请参阅指纹扫描仪如何工作

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倾斜滚轮

Logitech Cordless Click! Plus
图片来源:Logitech

鼠标滚动方面的一个最新创新是倾斜滚轮,它允许您在屏幕上水平(左/右)和垂直(上/下)滚动。当您查看网页或电子表格等宽文档时,双向滚动功能非常方便。

为了水平和垂直导航,滚轮放置在一个结合了支点和杠杆的装置上。这是罗技Cordless Click! Plus鼠标所采用的设计。

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另一种垂直和水平滚动的方法是触摸滚动面板,它能响应您的手指水平和垂直滑动,例如Logitech V500 Cordless Notebook Mouse就采用了这种方法。

Logitech V500 Cordless Notebook Mouse
图片来源:Logitech

更多信息

相关文章

更多精彩链接

  • Agilent Technologies. http://www.home.agilent.com/USeng/nav/-536893499.0/pc.html
  • Gyration. http://www.gyration.com
  • Logitech. http://www.logitech.com
  • Microsoft Corporation. http://www.microsoft.com/hardware
  • 光学鼠标技术评论,作者:Richard L. Owens。 http://www.ida.net/users/oe1k/OpticalMouse