計算機鼠標工作原理

鼠標的發展簡介

1984年，隨著Apple Macintosh的推出，鼠標也一同躍上舞臺。從此在它們的幫助下，計算機的使用方法得以徹底重新定義。

在您計算機使用生涯的每一天，只要想移動光標或者激活某些內容，您都會伸出手使用鼠標。鼠標感知您的手部移動和單擊并將它們發送給計算機，使計算機能夠做出相應的響應。

在本文中，我們將揭開人機界面這一重要部分的神秘面紗并了解它的工作原理。

鼠標的誕生

鼠標的簡單與高效令人贊嘆。同樣令人吃驚的是鼠標變成日常生活的一部分經歷了漫長的時間。考慮到人們在講述之前會自然而然地先指向相關物體，一種出色的指針設備經歷了如此漫長的發展過程真是令人驚訝。盡管在上世紀60年代就已經存在對鼠標的初步構思，但直到過了幾十年之后鼠標才成為主流。

在初期，由于計算機使用類似于電傳打字機或穿孔卡的粗糙界面進行數據輸入，因而不需要進行指向。早期的文本終端只是在模仿電傳打字機（將屏幕替換為紙），因此經過許多年（上世紀整個60年代到70年代）箭頭鍵才出現在多數終端上。全屏幕編輯器首次真正地利用光標鍵，它們為人類提供了第一種指向方法。

光筆很多年來在各種機器上作為指針設備。圖形輸入板、操縱桿及其他各種設備也在上世紀70年代大行其道。然而，這些設備實際上都沒有作為選擇的指針設備受到普遍歡迎。

當鼠標連接到Mac計算機并登上舞臺時便一舉成功。鼠標的某些方面是非常自然的。與繪圖式屏幕相比，鼠標非常便宜并且僅占用一點兒桌面空間。在PC世界中，由于缺乏操作系統的支持，鼠標用了較長的時間才得以普及。在 Windows 3.1使圖形用戶界面（GUI）成為標準后，鼠標很快成為了所選的人機接口方式。

鼠標的內部結構

所有鼠標的主要目的都是將手部運動轉換為計算機可以讀取的信號。讓我們來看一下軌跡球鼠標的內部結構，從而了解其工作原理：

1. 鼠標內部的滾球接觸桌面并在鼠標移動時滾動。

   鼠標邏輯板的底面：滾球露出的一部分與桌面接觸。

   
   
2. 鼠標內部的兩根輥軸與滾球接觸。一根輥軸定向為可檢測X方向的運動，另一根輥軸與第一根輥軸成90度，可以檢測Y方向的運動。當滾球轉動時，一根或兩根輥軸也會轉動。下圖顯示了此鼠標中的兩根白色的輥軸：

   與滾球接觸的輥軸檢測X方向和Y方向的運動。

3. 每根輥軸都與一個軸連接，該軸旋轉一個上面有孔的圓盤。當輥軸滾動時，與其連接的軸和圓盤也會旋轉。下圖顯示了圓盤：

   典型的光學譯碼盤：此圓盤的外邊緣周圍有36個孔。

4. 圓盤的一側有一個紅外線LED，另一側有一個紅外線傳感器。圓盤中的孔使LED發出的光束中斷，因此紅外線傳感器可以感應到光線脈沖。脈沖頻率與鼠標移動的速度和距離直接相關。

   跟蹤鼠標運動的光學譯碼盤的特寫：圓盤的一側有一個紅外線 LED（透明），另一側有一個紅外線傳感器（紅色）。請注意紅外線傳感器（紅色）與譯碼盤之間的那塊塑料。

5. 板上處理器芯片讀取來自紅外線傳感器的脈沖并將它們轉換為計算機可以理解的二進制數據。該芯片通過鼠標線纜將二進制數據發送給計算機。

在這種光學機械布局內，圓盤做機械運動，光學系統對光線脈沖計數。在這個鼠標中，滾球的直徑為21毫米，輥軸的直徑為7毫米。譯碼盤上有36個孔。因此，如果鼠標移動25.4毫米（1英寸），編碼器芯片就會檢測到41個光線脈沖。

您可能已經注意到，每個譯碼盤有兩個紅外線LED和兩個紅外線傳感器，譯碼盤的一側有兩個紅外線LED，另一側有兩個紅外線傳感器，這樣鼠標內部就有四對LED/傳感器。通過這種布局，處理器能夠檢測到圓盤的轉動方向。譯碼盤與每個紅外線傳感器之間有一塊塑料，其上有一個精確定位的小孔。

紅外線傳感器通過這塊塑料上的開口可以“看到”光線。圓盤一側開口的位置略高于另一側開口的位置，準確地講是高出譯碼盤上孔的高度的一半。這種差異使得兩個紅外線傳感器在略微不同的時間看到光線脈沖。有些時候，一個傳感器可以看到光線脈沖而另一個傳感器看不到，反之亦然。本頁對如何確定方向進行了詳細介紹。

鼠標接口

目前，市場中的多數鼠標都使用USB接頭連接到計算機上。USB是一種將各種類型的外圍設備（包括打印機、數碼相機、鍵盤和鼠標）連接到計算機的標準方式。有關這項技術的更多信息，請參見USB端口工作原理。

一些現在還在使用的老式鼠標會有一個PS/2型接頭，如下所示：

還有其他一小部分老式鼠標使用一種串行接頭與計算機相連，而不是使用PS/2接頭。

光電鼠標

光電鼠標由安捷倫科技開發并于1999年底問世。這種鼠標實際上采用了一個每秒鐘可以拍攝幾千張圖片的微型相機。

多數光電鼠標幾乎可以在任何表面上工作而不需要使用鼠標墊，它們采用一個小型的紅色發光二極管（LED）向鼠標工作表面發出光線，光線反射到互補金屬氧化物半導體（CMOS）傳感器上。除LED外，最近的一項創新是基于激光的光電鼠標，與LED技術相比這種鼠標可以檢測到更多鼠標底部表面的細節。這樣較之于LED鼠標，基于激光的鼠標可在更多表面上使用。

下面介紹光電鼠標的傳感器與其他部件如何協同工作：

• CMOS傳感器將每一幅圖像都發送給數字信號處理器（DSP）進行分析。
• DSP檢測各圖像中的圖案，并分析圖像中圖案的位置如何變動。
• 根據一系列圖像中圖案位置的變化，DSP確定鼠標的移動距離并將相應坐標發送給計算機。
• 計算機根據從鼠標接收到的坐標信息，移動屏幕上的光標。這個過程每秒發生數百次，使得光標的移動看上去非常流暢。

與軌跡球鼠標相比，光電鼠標具有下列優勢：

• 沒有可移動的零部件，這意味著磨損更少、故障率更低。
• 灰塵無法進入鼠標內部并干擾跟蹤傳感器。
• 增加的跟蹤分辨率意味著響應更順暢。
• 不需要鼠標墊等專用表面。

推陳出新
另一種類型的光電鼠標已經存在了十多年。在最初的光電鼠標技術中，一束匯聚的光線發射到一個反射率很高的鼠標墊，然后從鼠標墊表面反射到傳感器上。鼠標墊上有由較暗的線條構成的網格。每次移動鼠標時，網格會使光束中斷。光束中斷時，傳感器會向計算機發送一個信號并且光標會移動相應的量。
這種光電鼠標很難使用，要求您在握住它的時候必須使其與鼠標墊正好成直角，才能確保光束和傳感器對齊。此外，如果鼠標墊損壞或遺失，那么在買到新的鼠標墊之前，這種鼠標將無法使用。而當今的光電鼠標對于用戶更加友好并且更加可靠。

光電鼠標的精度

許多因素影響著光電鼠標的精度，其中最重要的一個方面是分辨率。分辨率是在您移動鼠標時光學傳感器及聚焦透鏡所能“看到”的每英寸的像素數。分辨率表示為點每英寸（dpi）。分辨率越高，鼠標就越靈敏，而且移動鼠標以獲得響應所需的距離就越短。

多數鼠標的分辨率為400或800dpi。然而，專為電子游戲而設計的鼠標可提供高達1600dpi的分辨率。某些游戲鼠標允許您在玩的過程中降低分辨率，讓鼠標在需要進行小幅度、慢速運動的情況下靈敏度低一些。

過去很長一段時間內，有線鼠標的響應速度較之無線鼠標更為迅速。然而，隨著無線技術及光學傳感器的改進，這個事實正在改變。影響鼠標質量的其他因素包括：

• 光學傳感器的大小——如果其他鼠標部件可以應付的話，尺寸越大越好。大小從16x16像素到30x30像素不等。
• 刷新率——指的是在您移動鼠標時傳感器采集圖像的頻率。如果其他鼠標部件可以處理得來的話，通常是越快越好。刷新率為每秒1500到6000個圖像樣品。
• 圖像處理速率——指的是光學傳感器的大小與刷新率的綜合指標。依然是越快越好，速率為48.6萬到580萬像素/秒。
• 最大速度——指的是您可以移動鼠標并獲得精確軌跡的最大速度。越快越好，速度為0.4到1米/秒。

無線鼠標

多數無線鼠標使用射頻（RF）技術向計算機傳輸信息。由于基于射頻，RF設備需要兩個主要部件：發射器和接收器。其工作原理如下：

• 發射器安裝在鼠標外殼內。它發送一個電磁（射頻）信號將鼠標移動和所單擊鼠標鍵的相關信息進行編碼。
• 接收器與計算機相連。它接受信號，將信號解碼并傳送到鼠標驅動程序軟件和計算機操作系統。
• 接收器可以是插入計算機中的單獨設備、插入擴展插槽內的專用卡，也可以是內置部件。

許多電子設備都使用射頻進行通信，包括手機、無線網絡和車庫自動門。為了在通信時不產生沖突，不同類型的設備指定了不同的頻率。較新式的手機使用的頻率為900兆赫，車庫自動門的工作頻率為40兆赫，而802.11b/g無線網絡的工作頻率為2.4千兆赫。兆赫（MHz）表示“每秒100萬周”，“900兆赫”表示“每秒有9億個電磁波”。千兆赫（GHz）表示“每稱10億周”。要了解有關RF和頻率的更多信息，請參見無線電頻譜工作原理。

優勢

與常用于短距離無線通信的紅外線技術（如電視遙控器）不同，RF設備在發射器（鼠標）和接收器之間不需要暢通的瞄準線。正如使用無線電波通信的其他類型的設備一樣，無線鼠標信號可以穿過桌子或顯示器等障礙物。

RF技術為無線鼠標提供了大量額外優勢，其中包括：

• RF發射器需要很低的功率，可以使用電池操作
• RF部件很便宜
• RF部件重量輕

與目前市場中的多數鼠標一樣，無線鼠標采用光學傳感器技術而非早期的軌跡球系統。光學技術提高了精度，并且幾乎可以讓您在任何表面上使用無線鼠標——就線纜不再將您束縛在計算機附近這一點上來說，這是一個重要功能。

配對和安全性

為了使鼠標中的發射器與其接收器通信，它們二者必須配對。這意味著，這兩個設備使用一個公共識別碼以相同的頻率在同一個信道工作。信道僅僅是一個特定頻率的代碼。配對目的是排除自其它源和RF設備的干擾。

配對方法隨鼠標廠商而不同。某些設備在提供時已經預先配對。其他設備則使用配對序列等方法，當您按特定按鈕或者轉動接收器和/或鼠標上的滾輪時，配對會自動開始。

為了保護鼠標向接收器發送的信息，多數無線鼠標都包括一個加密方案將數據加密為不可讀取的格式。一些設備還使用一種跳頻方法，使得鼠標和接收器按照預定方式自動改變頻率。這樣可以進一步防止干擾和竊聽。

藍牙鼠標

無線鼠標普遍采用的一種RF技術是藍牙。藍牙技術可以將打印機、耳機、鍵盤和鼠標等外設與計算機和掌上型電腦（PDA）等支持藍牙的設備進行無線連接。由于藍牙接收器可以一次支持多個藍牙外設，因此藍牙也稱為個人局域網 （PAN）。藍牙設備的傳輸范圍大約為10米。

藍牙使用RF技術在2.4GHz的頻帶上工作。它通過一種稱為擴頻跳頻的技術避免了多個藍牙外設之間的干擾。802.11b/g無線網絡等無線上網設備也在2.4GHz頻帶上工作，同樣的還有一些無繩電話和微波爐。1.2版本的藍牙提供了自適應跳頻（AFH），這是一種專門避免與其他2.4GHz通信之間發生干擾的增強型跳頻技術。

為什么叫藍牙？

Harald Bluetooth是公元10世紀末期的丹麥國王。他努力將丹麥及挪威的一部分統一為一個王國并將基督教引入丹麥。他留下了一塊大型紀念碑“Jelling神諭古文石”來紀念他的父母。Harald Bluetooth于公元986年在與兒子Svend Forkbeard的一場戰爭中被殺死。選擇這一名稱作為標準是要表明來自波羅的海地區（包括丹麥、瑞典、挪威和芬蘭）的公司對通信行業的重要性，即使該名稱與這種技術的工作原理毫不粘邊。

射頻鼠標

另一種常見的無線鼠標是工作頻率為27MHz、傳輸距離大約為2米的RF設備。最近，2.4GHz的射頻鼠標進入市場，它的傳輸距離更遠（大約10米），而且傳輸速度更快、干擾更少。一個房間內有多個射頻鼠標可能會導致串擾，這意味著接收器可能無意間接收來自錯誤鼠標的信息傳輸。配對與多信道有助于避免這個問題。
一般情況下，RF接收器插入USB端口并且不接受除鼠標（可能還有與鼠標一起銷售的鍵盤）以外的任何外設。專供筆記本電腦配套使用的一些便攜式鼠標帶有一個緊湊型接收器，不使用時可以放在鼠標內部的插槽中。

與鼠標有關的提示
如果您想使用無線射頻鼠標和鍵盤，請一起購買它們。每個廠商和設備的配對與傳輸技術是各不相同的。如果您單獨購買RF無線鍵盤和鼠標，您可能需要將它們各自的接收器連接到PC上。

鼠標創新

配合使用
一些PC鍵盤與鼠標設計為配套使用，以便為您提供更多輸入選項。例如，Logitech Cordless Desktop LX700提供了一個具備滾動、平移和縮放功能的鍵盤，鼠標也包括同樣的功能。因此您可以使用其中任一種來執行這些功能。

與許多計算機相關設備一樣，鼠標也正在與其他的小配件和技術融合起來，創造出更好的多功能設備。例如多媒體鼠標、遙控器鼠標、游戲鼠標、生物識別鼠標、橫縱滾輪鼠標與運動傳感鼠標等。讓我們從多媒體鼠標與遙控器鼠標入手來了解有關鼠標技術創新的更多信息。

多媒體鼠標和遙控器鼠標

這些類型的鼠標用于多媒體系統，例如 Windows XP Media Center Edition計算機。一些鼠標在鼠標功能的基礎上增加了額外的用于控制媒體的按鈕（如播放、暫停、前進、后退和音量調節）。其他類型的鼠標則類似于一個添加了鼠標功能的電視/媒體播放遙控器。遙控器一般使用紅外線傳感器，但有些遙控器同時使用紅外線技術和RF技術以獲得更大的傳輸范圍。

游戲鼠標

游戲鼠標是高精度的光電鼠標，專門用于PC和游戲控制器。它可能包括下列功能：

多個按鈕，用于增加靈活性以及在玩游戲的同時調整分辨率等
無線連接和光學傳感器
運動反饋和雙向通信
運動傳感鼠標

目前，鼠標技術的另一項創新是運動傳感控制。利用此功能，在空中擺動鼠標即可控制鼠標指針。

一家名為Gyration的廠商取得了這項技術的專利。這項技術采用微型陀螺儀來跟蹤在空中揮動鼠標時鼠標的運動。它采用電磁換能器與傳感器同時檢測兩個軸方向的旋轉。該鼠標基于科里奧利效應工作，指的是一個物體相對于另一個旋轉物體運動時的明顯轉動。該設備與隨附軟件將鼠標運動轉換為計算機屏幕上的運動。這種鼠標還帶有一個光學傳感器以便在桌面上使用。

生物識別鼠標

生物識別鼠標僅允許授權用戶控制鼠標和訪問計算機，因而增加了計算機系統的安全性。這是通過一個集成到接收器或鼠標內的指紋讀取器來實現的。由于使用指紋而不是密碼進行安全登錄，因此這種技術在增強安全性的同時也帶來了方便。

要使用生物功能，與鼠標一同提供的軟件程序需要記錄指紋并存儲有關授權用戶的信息。某些軟件程序還允許您對文件進行加密和解密。有關生物識別指紋技術的更多信息，請參見指紋掃描儀工作原理。

鼠標的橫縱滾輪

鼠標滾動功能中最新的一項創新是橫縱滾輪。它允許您在水平方向和垂直方向滾動屏幕。當您查看網頁或電子表格等較寬的文檔時，這種在兩個方向滾動的功能非常方便。

要在水平和垂直方向上導航，滾輪需要位于支點與杠桿結合的位置上。羅技 Cordless Click! Plus鼠標采用了這種設計。

另一種垂直與水平滾動方式是可以響應手指水平和垂直滑動的觸控滾動面板。羅技V500無線筆記本鼠標采用了這種技術。