接口课程设计

计算机科学与技术学院

课程设计报告

2017 — 2018学年第 1 学期

课程名称接口技术

设计题目计算机鼠标的工作原理及发展历史的研究学生姓名

学号

专业班级

指导教师

2017年月日

目录

一．概述 (2)

二．机械鼠标 (3)

三．光机鼠标 (5)

四．光电鼠标 (6)

五．无线鼠标 (10)

六．机械鼠标和光电鼠标比较 (13)

七．设计总结 (14)

计算机鼠标的工作原理及发展历史的研究

一．概述

经历了数年的飞速发展，如今的电脑配件以及周边的外设已经越来越好，我们最常用的鼠标从滚轮到光电，从有线到无线，有着惊人的改变。不过在鼠标的工作原理方面，依然延续着昔日的经典，没有太多的改变，只是如今的鼠标在性能上有着不小的突破。

鼠标的发展历程

鼠标发展历程上的几个重要里程碑：

. 1968年，鼠标的原型诞生；

. 1981年，第一只商业化鼠标诞生，仍旧是机械鼠标，出现滚球鼠标；

. 1983年，罗技发明了第一只光学机械式鼠标，成为日后的行业标准；

. 80年代初出现了第一代光电鼠标，它需要特殊的有栅格的鼠标垫，过高的成本限制了其使用范围；

. 1999年，微软公司与安捷伦公司合作发布了IntelliEye 光学引擎，以及第一只光学鼠标。

人们普遍认为，1964年，一位名叫道格·恩格尔巴特研究人员发明了鼠标。道格·恩格尔巴特当时是斯坦福研究所工作的一名研究员，他一直致力于改造计算机使用方法，使计算机的操作更加简便。

60年代初，道格·恩格尔巴特在参加一个会议时随手掏出了随身携带的笔记本，画出了一种在底步使用两个互相垂直的轮子来跟踪动作的装置草图，这便是鼠标的雏形。到了1964年，Douglas Englebart 再次对鼠标的构思进行完善，动手制作了第一个鼠标。他制作的鼠标是一只小木盒子，里面有两个滚轮，但只有一个按钮。它的工作原理是由滚轮带动轴旋转，并带动变阻器改变阻值，阻值的变化就是移位的信号，经计算机处理后屏幕上指示位置的光标就可以移动了。二．机械鼠标

最初的鼠标都是机械鼠标，使用9针串行口与计算机进行通信。机械鼠标工作的原理很简单，它采用一个小滑球和桌面接触，当滑球移动的时候，滑球推动压力滚轴滚动，滚轴的另一边连着编码器，在每个编码器上呈圆形排列的触点。当滑球滚动时，经过传导，使触点会依次碰到接触条，从而产生计算机容易辨认的，“接通”和“断开”，也就是“0”和“1”信号。通常鼠标内部有一个芯片会根据这些数据转换成“X ”和“Y ”轴的位移，从而使光标移动。通过移动鼠标，带动胶球，胶球滚动又磨擦鼠标内分管水平和垂直两个方向的栅轮滚轴，驱动栅轮转动。栅轮轮沿为格栅状。紧靠栅轮格栅两侧，一侧是一红外发光管，另一侧是红外接收组件。红外接收组件为一三端器件，其中包含甲乙两个红外接收管。在水平和垂直栅轮夹角正对方向有一压紧轮，它使胶球无论向何方向滚动都始终压紧在两个栅轮轴上。通过ps/2 口或串口与主机相连。接口使用四根线，分别为电源,地，时钟和数据。正常工作时，鼠标的移动转换为水平和垂直栅轮不同方向

和转速的转动。栅轮转动时，栅轮的轮齿周期性遮挡红外发光管发出的红外线照射到接收组件中的甲管和乙管,从而甲和乙输出端输出电脉冲

至鼠标内控制芯片。由于红外接收组件中甲乙两管垂直排列，栅轮轮齿夹在红外发射与接收中间的部分的移动方向为上下方向，而甲乙接收管与红外发射管的夹角不为零，于是甲乙管输出的电脉冲有一个相位差。鼠标内控制芯片通过此脉冲相位差判知水平或垂直栅轮的转动方向，通过此脉冲的频率判知栅轮的转动速度，并不断通过数据线向主机传送鼠标移动信息，主机通过处理使屏幕上的光标同鼠标同步移动。

机械鼠标是靠橡胶球带动光栅轮的，用两套光电对管是因为鼠标有X、Y轴两个运动方向，设仅横向移动鼠标，此时只有X轴方向的运动，那么存在需要识别X轴的光栅轮是顺时针还是逆时针转动（也就是你的鼠标是向左移还是向右移），这就只能够依靠一套光电对管来探测（光电对管指的是发光和接收两个元件），在光电接收管中按上下方位封装好两个光电三极管就能通过判断两个光电三极管的导通次序来得知光栅轮的转动方向了。你要用来测电机转动很简单，这个元件中间的引脚为公共集电极，1和3脚分别为两个光电三极管的发射极，如果只需要测转速而不需判断电机转动方向则只需要在电路中连接1、2或者2、3脚另一脚不接就是把这个元件当作单个光电三极管在用了。

显而易见，这种机械鼠标的精度受到了桌面光洁度、采样精度等多方面因素的制约，因此并不适合在高速移动或者大型游戏中使用。不过，由于这种第一代机械鼠标出现的时候，大部分PC 的系统软件和操作软件都只是刚刚开始使用GUI ，因此这个矛盾并不突出。

三．光机鼠标

随着个人PC 的高速发展，纯粹的第一代机械鼠标已经逐渐不适应人们日益增长的使用要求了，这时出现了所谓的光学机械鼠标。也就是一般人们所说的光机鼠标，它具有光学鼠标的一些优点，同时在价格上又接近机械鼠标，因此受到了广大消费者的喜爱。一直到今天，光学机械鼠标仍然是市场上的主流产品之一。

光机鼠标的历史其实非常悠久，早在1982年，罗技公司就发明了世界第一款光机鼠标。从这个时候起，在鼠标的结构设计才算是基本成熟，在以后长达20年之久的时光中，光机鼠标可谓是出尽了风头。

光机鼠标是在纯机械式鼠标基础上进行改良，通过引入光学技术来提高鼠标的定位精度。与纯机械式鼠标一样，光机鼠标同样拥有一个胶质的小滚球，并连接着X 、Y 转轴，所不同的是光机鼠标不再有圆形的译码轮，代之的是两个带有栅缝的光栅码盘，并且增加了发光二极管和感光芯片。当鼠标在桌面上移动时，滚球会带动X 、Y 转轴的两只光栅码盘转动，而X 、Y 发光二极管发出的光便会照射在光栅码盘上，由于光栅码盘存在栅缝，在恰当时机二极管发射出的光便可透过栅缝直接照射在两颗感光芯片组成的检测头上。如果接收到光信号，感光芯片便会产生“1”信号，若无接收到光信号，则将之定为信号“0”。接下来，这些信号被送入专门的控制芯片内运算生成对应的坐标偏移量，确定光标在屏幕上的位置。

光机鼠标经过18年的发展，生产技术更加成熟，精度已经达到了这种结构的极限。但是它也有一个致命的缺点：在鼠标使用一段时间后，一般都会出现光标移动缓慢、光标定位不准、鼠标移动时有疙疙瘩瘩的感觉，这是因为在接编码器的转轴上附有很多污垢，一般需要我们把滑球和转轴彻底的清洗。

四．光电鼠标

随着人们对鼠标要求的进一步提高，原有的机械鼠标与光机鼠标越来越不能适应要求，于是出现了新一代的光电鼠标。不过，光电鼠标的出现并不顺利，它也经历了第一代光学鼠标与第二代光电鼠标的演变，才发展成今天我们在市场上所看到的主流光电鼠标。

1.光电鼠标的工作原理

在光电鼠标内部有一个发光二极管，通过该发光二极管发出的光线，照亮光电鼠标底部表面（这就是为什么鼠标底部总会发光的原因）。然后将光电鼠标底部表面反射回的一部分光线，经过一组光学透镜，传输到一个光感应器件（微成像器）内成像。这样，当光电鼠标移动时，其移动轨迹便会被记录为一组高速拍摄的连贯图像。最后利用光电鼠标内部的一块专用图像分析芯片（DSP，即数字微处理器）对移动轨迹上摄取的一系列图像进行分析处理，通过对这些图像上特征点位置的变化进行分析，来判断鼠标的移动方向和移动距离，从而完成光标的定位。

2.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。

3.第一代光学鼠标

早与光机鼠标发展的同一时代，出现一种完全没有机械结构的数字化光电鼠标。设计这种光电鼠标的初衷是将鼠标的精度提高到一个全新的水帄，使之可充分满足专业应用的需求。这种光电鼠标没有传

统的滚球、转轴等设计，其主要部件为两个发光二极管、感光芯片、控制芯片和一个带有网格的反射板（相当于专用途的鼠标垫）。

工作时，光电鼠标必须在反射板上移动，X 发光二极管和Y 发光二极管会分别发射出光线照射在反射板上，接着光线会被反射板反射回去，经过镜头组件传递后照射在感光芯片上。感光芯片将光信号转变为对应的数字信号后将之送到定位芯片中专门处理，进而产生X-Y 坐标偏移数据。

4.第一代光学鼠标原理

这种光电鼠标在精度指标上的确有所进步，但它在后来的应用中暴露出大量的缺陷。首先，光电鼠标必须依赖反射板，它的位置数据完全依据反射板中的网格信息来生成，倘若反射板有些弄脏或者磨损，光电鼠标便无法判断光标的位置所在。倘若反射板不慎被严重损坏或遗失，那么整个鼠标便就此报废；其次，光电鼠标使用非常不人性化，它的移动方向必须与反射板上的网格纹理相垂直，用户不可能快速地将光标直接从屏幕的左上角移动到右下角；第三，光电鼠标的造价颇为高昂，数百元的价格在今天来看并没有什么了不起，但在那个年代人们只愿意为鼠标付出20元左右资金，光电鼠标的高价位显得不近情理。由于存在大量的弊端，这种光电鼠标并未得到流行，充其量也只是在少数专业作图场合中得到一定程度的应用，但随着光机鼠标的全面流行，这种光电鼠标很快就被市场所淘汰。

5.第二代光电鼠标

虽然第一代光电鼠标在市场中惨遭失败，但全数字的工作方式、无机械结构以及高精度的优点让业界仍然为之瞩目，如果能够克服其先天缺陷必可将其优点发扬光大，制造出集高精度、高可靠性和耐用性的产品在技术上完全可行。最先在这个领域取得成果的是微软公司和安捷伦科技。1999年，微软推出一款“IntelliMouse Explorer”的第二代光电鼠标，这款鼠标所采用的是微软与安捷伦合作开发的IntelliEye 光学引擎，从这个时候起，人们才对鼠标的内部控制芯片有了进一步认识，也使得安捷伦芯片成为了良好鼠标控制核心的代名词。IntelliMouse Explorer 采用的IntelliEye 引擎是微软和当时还在HP 内的安捷伦公司合作设计的，规格为1500Hz 、400CPI 。也就是在此时，扫描率、分辨率等鼠标衡量标准才被人们所重视。经典IntelliMouse Explorer鼠标第二代光学鼠标的结构与上述所有产品都有很大的差异，它的底部没有滚轮，也不需要借助反射板来实现定位，其核心部件是发光二极管、微型摄像头、光学引擎和控制芯片。工作时发光二极管发射光线照亮鼠标底部的表面，同时微型摄像头以一定的时间间隔不断进行图像拍摄。鼠标在移动过程中产生的不同图像传送给光学引擎进行数字化处理，最后再由光学引擎中的定位DSP 芯片对所产生的图像数字矩阵进行分析。由于相邻的两幅图像总会存在相同的特征，通过对比这些特征点的位置变化信息，便可以判断出鼠标的移动方向与距离，这个分析结果最终被转换为坐标偏移量实现光标的定位。

鼠标内部发光二极管，主要用于照明，以便使微型摄像头拍摄到鼠标底部画面，进而传送到光学处理芯片

第二代光学鼠标的各项指标达到了设计初衷。它既保留了光电鼠标的高精度、无机械结构等优点，又具有高可靠性和耐用性，并且使用过程中勿须清洁亦可保持良好的工作状态，在诞生之后迅速引起业界瞩目，也引起了一些有实力公司的关注。

五．无线鼠标

无线鼠标尽管普及率不高，但其发展却由来已久。早在1984年，罗技的第一款无线鼠标就研制成功。不过那时候的无线鼠标还依靠红外线作为信号的载体，虽然说这款产品由于性能方面的诸多问题而告失败，但是罗技在无线方面的创新也给后来的产品带来了很多思路的指引。

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。

1.无线鼠标工作原理

?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。

从原理上看，无线鼠标主要分为红外线和无线电式。两种鼠标都需要使用干电池供电，对于红外线型的无线鼠标键盘具有较严格的方向性，尤其是水帄位置的关系更为敏感，因此目前采用这种方式的产品已经不多，大多数都是采用了更为先进的无线电发射方式。

无线电式鼠标的学名叫DRF （Digital radio frequency，数字无线电频率），这项技术能够对短距离通讯提供充足的带宽，非常适合鼠标和键盘这样的外围设备使用。它的原理也非常简单，鼠标部分工作与传统鼠标相同，再用无线发射器把鼠标在X 或Y 轴上的移动，按键按下或抬起的信息转换成无线信号并发送出去，无线接收器收到信号后经过解码传递给主机，驱动程序告诉操作系统鼠标的动作，该把鼠标指针移向哪个方向或是执行何种指令。

采用无线电技术的好处是，只要在限定距离以内，就可以在任何位置使用，几乎不受障碍物的影响。一般传输的距离达10～20米，已经足够用户使用。

无线电的最大特点是可以进行360度全方位无线射频遥控，而且耗电量较低，具有触发工作待机休眠。无线设备的接受端已经内置接收器，发射器装在主机的设备口上，均不会影响产品外观。

无线电接收器本身所具有的接口是USB 或PS2的，可以从计算机的PS/2接口取电，不需要另加电池。它具有双或多波段，如果有多个无线设备，均可以通过这一个接收器进行管理，键盘工作频率一般占用通道1（如：27.185M 和27.035M ），鼠标工作频率占用通道2

（如：27.085M 和27.135M ），工作时鼠标和键盘或多个鼠标之间干扰性较低，而且不会影响无线电话等数字无线设备。

2.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。

六．机械鼠标和光电鼠标比较

光电鼠标与机械式鼠标最大的不同之处在于其定位方式不同。

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。让我们来看一下机械鼠标的内部结构，从而了解其工作原理：鼠标内部的滚球接触桌面并在鼠标移动时滚动。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：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：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。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。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。

光电鼠标通常由以下部分组成：光学感应器、光学透镜、发光二极管、接口微处理器、轻触式按键、滚轮、连线、PS/2或USB接口、外壳等。

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。与机械球鼠标相比，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。

七．设计总结

通过这次接口技术的课程设计，使我更加清晰的知道了鼠标的发展历史，系统的了解了各代鼠标的优缺点，以及他们的工作原理，让我对接口技术这门课程的一些方面有了更清楚的认知和学习。还有也要感谢老师对我这次课程设计的耐心指导和悉心帮助，让我在接口技术方面受益颇多。

参考文献:

[1]百度百科

[2] 彭介华.电子技术课程设计指导[M] .北京：高等教育出版社，2000.