光电鼠标的原理.docx

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1、光电鼠标的工作原理本文从结构、工作原理、性能参数以及和传统鼠标的对比等几个方面详细介绍了光电鼠标，并且简单介绍了激光鼠标的相关特性，最后对鼠标的未来发展趋势进行 了简单的展望。关键词 光电鼠标 光学感应器 激光鼠标 发展趋势一、鼠标的概述鼠标，全称为光电显示系统纵横位置指示器，是计算机系统的一种输入设备，因形 似老鼠而得名。按其工作原理及其内部结构的不同可以分为机械式鼠标，光机式鼠标和 光电式鼠标。下面将简单介绍机械式鼠标和光机式鼠标的工作原理：1、机械式鼠标机械鼠标主要由滚球、辊柱和光栅信号传感器组成。当拖动鼠标时，带动滚球转动， 滚球又带动辊柱转动，装在辊柱端部的光栅信号传感器产生的光电脉

2、冲信号反映出鼠标 器在垂直和水平方向的位移变化，再通过电脑程序的处理和转换来控制屏幕上光标箭头 的移动。这种机械鼠标的底部采用一个可四向滚动的胶质小球。这个小球在滚动时会带 动一对转轴转动，分别为X转轴、Y转轴，在转轴的末端都有一个圆形的译码轮，译码 轮上附有金属导电片与电刷直接接触。当转轴转动时，这些金属导电片与电刷就会依次 接触，出现“接通”或“断开”两种形态，前者对应二进制数“1”、后者对应二进制 数“0”。接下来，这些二进制信号被送交鼠标内部的专用芯片作解析处理并产生对应 的坐标变化信号。只要鼠标在平面上移动，小球就会带动转轴转动，进而使译码轮的通 断情况发生变化，产生一组组不同的坐标

3、偏移量，反应到屏幕上，就是光标可随着鼠标 的移动而移动。由于它采用纯机械结构，定位精度难如人意，加上频频接触的电刷和译 码轮磨损得较为厉害，直接影响了机械鼠标的使用寿命。在流行一段时间之后，它就被 成本同样低廉的“光机鼠标”所取代，后者正是现在市场上还很常见的所谓“机械鼠 标”。2、光机式鼠标光机式鼠标，顾名思义是一种光电和机械相结合的鼠标。它在机械鼠标的基础上， 将磨损最厉害的接触式电刷和译码轮改为非接触式的LED对射光路元件。当小球滚动时， X、Y方向的滚轴带动码盘旋转。安装在码盘两侧有两组发光二极管和光敏三极管，LED 发出的光束有时照射到光敏三极管上，有时则被阻断，从而产生两级组相位相

4、差90的 脉冲序列。脉冲的个数代表鼠标的位移量，而相位表示鼠标运动的方向。由于采用了非 接触部件，降低了磨损率，从而大大提高了鼠标的寿命并使鼠标的精度有所增加。二、光电鼠标的工作原理和结构光电鼠标用光电传感器代替了滚球，通过检测鼠标器的位移，将位移信号转换为电 脉冲信号，再通过程序的处理和转换来控制屏幕上的光标箭头的移动。光电鼠标的结构可以分为三个部分，分别是成像系统IAS (ImageAcquisitionSystem)、信号处理系统 DPS(DigitalSignalProcessor)和接口 系统SPI(SerialPeripheralInterface)。首先成像系统IAS相当于一个高

5、速连续拍照 的数码相机，不断对鼠标垫进行拍照，然后信号处理系统DPS对拍摄到的每张图片进行 分析，通过图片的变化判断鼠标的移动，最后接口系统SPI将鼠标移动的数据传给计算 机。简单来说，光电鼠标与机械式鼠标最大的不同在于其定位方式。如图1所示，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， 这也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

6、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。图1光电鼠标工作原理光电鼠标通常由以下部分组成：发光二极管、光学透镜、光学感应器、接口微处理 器、轻触式按键、滚轮、连线、PS/2或USB接口、外壳等。下面分别进行介绍：1、发光二极管发光二极管相当于光电鼠标的光源，其主要任务是满足光学传感器的拍摄需要，将 所要拍摄的“路况”照亮。发光二极管发出的光线，一部分通过鼠标底部的光学透镜（即 其中的棱镜）来照亮鼠标底部；另一部分则直接传到了光学感应器的正面。用一句话概 括来说，发光二极管的作用就是产生光电鼠

7、标工作时所需要的光源。除此以外，发光二极管还被用来满足光电式的滚轮的需要。这里所说的滚轮是我们 常用来翻动网页的鼠标中键，而非光机鼠标底部的轨迹球。如图2,滚轮位置上，有一 对光电“发射/接收”装置，滚轮上带有栅格，由于栅格能够间隔的“阻断”这对光电 “发射/接收”装置的光路，这样便能产生翻页脉冲信号，此脉冲信号经过控制芯片传 送给Windows操作系统。所以翻页滚轮上、下滚动时，会使正在观看的“文档”或“网 页”上下滚动。图2滚轮栅格光电鼠标中为光学传感器服务的发光二极管在鼠标“尾部”，会被固定夹遮盖起来; 而为光电式滚轮服务的发光二极管则在鼠标“头部”，也就是滚轮位置附近。所以，虽 然光电

8、鼠标内部可能拥有不止一个发光二级管，但分辨起来并不难。2、光学透镜光学透镜组件位于光电鼠标的底部位置，如图3,光学透镜组件由一个棱光镜和一 个圆形透镜组成。其中，棱光镜负责将发光二极管发出的光线传送全鼠标的底部，并予 以照亮。圆形透镜则相当于一台摄像机的镜头，这个镜头负责将已经被照亮的鼠标底部 图像传送全光学感应器底部的小孔中。图3光学透镜组件3、光学感应器光学感应器是光电鼠标的核心，如图4,主要由CMOS感光块（摄像头上采用的感光 元件）和数字信号处理器DSP组成。CMOS感光块负责采集、接收由鼠标底部光学透镜传 递过来的光线并同步成像，然后CMOS感光块会将一帧帧生成的图像交由其内部的DS

9、P 进行运算和比较，通过图像的比较，便可实现鼠标所在位置的定位工作。图4光学感应器为了能产生数字信号，鼠标下的CMOS类似于我们见到的网格,如图5所示，它会把 采样回来的图像分成很多紧密排列的小格，再在这些以小格为单位的图像中找出相同的 像素点，也就是参照物。当鼠标移动时，CMOS录得连续的图案，通过DSP对每张图片的 前后对比分析处理，对比两次采样图像的相同像素点，也就知道了鼠标移动的方向，从 而得出x、y方向上的移动数值。由于采样频率是固定的，鼠标的移动速度也就能计算 出来了。图54、控制芯片光电鼠标的接口控制器芯片负责协调光电鼠标中各元器件的工作、管理光电鼠标的 接口电路部分，与外部电路

10、进行沟通(桥接)及各种信号的传送和收取，使鼠标可以通 过USB、PS/2等接口与PC相连。基于成本方面考虑，各品牌的光电鼠标一般都采用第 三方的接口控制器芯片，而像赛普拉斯、凌阳、EMC都是常见的接口控制器芯片厂商。 另外，有的光电鼠标选用了具备接口控制器功能的光学传感器(比如原相公司的PAN401 光学传感器)，所以在这类光电鼠标内部无法发现独立的接口控制器芯片。三、光电鼠标的相关参数1、光感应度光感应度即鼠标的分辨率、精度，是选择一款鼠标的主要依据之一，用来描述鼠标 的精度和准确度，单位是DPI或者CPI。其意思是指鼠标移动中，每移动一英寸能准确 定位的最大信息数。显然鼠标在每英寸中能定位

11、的信息数量越大，鼠标就越精确。对于 以前使用滚球来定位的鼠标来说，一般用 DPI来表示鼠标的定位能力。DPI (即 DotsPerInch)指每英寸的像素数，这是最常见的分辨率单位，反映的是静态指标。由 于鼠标移动是个动态的过程，用DPI描述鼠标精确度已经不太合适，因此采用反映动态 指标的CPI (即CountPerInch)来表示鼠标的分辨率更为恰当，CPI指的是每英寸的采 样率。现在大多数鼠标采用了 400CPI，少数高档鼠标采用800CPI。其中400CPI意味着当 鼠标每移动一英寸就可反馈400个不同的坐标，换句话说也就是采用400CPI的鼠标可 以观察到手部0.06毫米的微弱移动。理

12、论上说CPI越大，光电鼠标就越灵敏。例如， 当把鼠标向左移动一英寸时，400CPI的鼠标会向电脑发出400次“左移”信号，而 800CPI的鼠标就发送800次。做个假设，把鼠标移动1/800英寸，那么800CPI的鼠标 会向电脑传送一次移动信号，而400CPI的鼠标却没有反应，必须再移动1/800英寸它 才会传送移动信号。从这里可以看出，这两种分辨率的性能最大差别就在于800CPI的 鼠标在移动的开始阶段会比400cpi的鼠标反应快些800CPI和400CPI的鼠标只是在显 示器分辨率高的情况下性能差异才会表现得明显。需要说明的是，鼠标的感应度并不能准确的反映鼠标的精确程度。光电鼠标的IAS

13、系统，是鼠标的核心部分，由光源、透镜和CMOS成像三部分组成。透镜可以起到对图 像放大的作用，类似显微镜，显然提高透镜的放大倍数就可以提高鼠标的DPI。然而单 纯提高放大倍数反而使图像模糊、变形，令DSP系统难以准确分析移动情况。因此DPI 像一把双刃剑，单纯提高DPI并没有意义，并且目前多数鼠标使用的USB和PS/2接口 的数据传输力有限，过高的DPI可能会超出接口的传输能力。适当提高DPI之外，还要 提高光源的亮度、增大CMOS感光面积，提高每秒钟拍照的次数。这几个方面必须相互 配合，单独提高其中一个意义不大，甚至适得其反。2、刷新频率鼠标刷新率也叫鼠标的采样频率，指鼠标每秒钟能采集和处理

14、的图像数量。刷新 率也是鼠标的重要性能指标之一，即鼠标每一秒能够采集到的图像数据，一般以“FPS/S （帧/秒）”为单位，反映了光学传感器内部的DSP对CMOS每秒钟可拍摄图像的处理能 力。光电鼠标下方的CMOS传感器就是利用人眼观察事物的特点来工作：当移动鼠标时， CMOS传感器就会“观察”鼠标下的采样表面（桌面或鼠标垫）来获得鼠标的移动信息。 CMOS以一定的频率对采样表面进行采样，产生离散量后转化为数字信息供计算机处理。 那么这个采样频率即我们说的刷新频率。倘若鼠标的刷新率小于移动距离之内的图像数 据，鼠标内部扫描的图像数据就会出现盲点，即扫描不到图像数据，最后导致定位光标 位置失败，从

15、而出现指针丢失的情况。鼠标的刷新率参数越高意味着其每秒采样的数据 率也越大，性能也越高。3、像素处理能力虽然分辨率和刷新率都是光电鼠标重要的技术指标，但它们并不能客观反映光电鼠 标的性能，所以又提出了像素处理能力这个指标，并规定：像素处理能力= CMOS晶阵像 素数乂刷新频率。根据光电鼠标的定位原理，光学传感器会将CMOS拍摄的图像进行光 学放大后再投射到CMOS晶阵上形成帧，所以在光学放大率一定的情况下，增加了 CMOS 品阵像素数，也就可增大实际拍摄图像的面积。而拍摄面积越大，每帧图像上的细节也 就越清晰，参考物也就越明显，和提高刷新率一样，也可减少跳帧的几率。因此，影响鼠标性能的主要因素

16、有以下三点：第一、成像传感器。成像质量的高低，直接影响下面数据的进一步加工处理。第二、DSP处理器。DSP输出的X、Y轴数据流，影响鼠标的移动和定位性能。第三、SPI与MCU之间的配合。数据的传输具有一定的时间周期性(数据回报率)， 而且他们之间的周期也有所不同，SPI有四种工作模式，另外鼠标采用不同的MCU，与 电脑的传输频率也会有所不同，因此数据从SPI传输到MCU，以及从MCU传输到主机电 脑，传输时间上的配合尤为重要。五、激光鼠标激光鼠标是光电鼠标的一种，与传统光电鼠标的主要区别在于用激光代替了普通的 LED光。因为激光是相十光，几乎为单一波长，这使得激光鼠标能够通过更多的表面， 即使

17、经过长距离的传播依然能保持其强度和波形。激光鼠标传感器获得影像的过程，是根据激光照射在物体表面所产生的干涉条纹而 形成的光斑点直接反射到传感器上获得的，而传统的光学鼠标是通过照射粗糙的表面所 产生的阴影来获得。因此激光能对表面的图像产生更大的反差，从而使得CMOS成像传 感器得到的图像更容易辨别，提高鼠标的定位精准性，并且可以再任何平面上操作，不 易受到工作环境的影响。六、鼠标的发展趋势1、无线鼠标在众多鼠标当中，无线鼠标无疑是最新崛起的一股力量，它的性能不断在完善，操 作的优越性使得其越来越多的受到用户的欢迎。无线鼠标是指无线缆直接连接到主机的 鼠标。目前通常采用的无线通信方式包括蓝牙、Wi

18、-Fi (IEEE 802.11)、Infrared (IrDA)、 ZigBee (IEEE 802.15.4)等等多个无线技术标准，但对于当前主流无线鼠标而言，仅有 27Mhz、2.4G和蓝牙无线鼠标共三类。2、激光鼠标激光替换发光二极管进行表面照明并追踪，可以使得鼠标响应更快，适用于多种物 体表面。自从罗技在2004年推出了首款消费级激光鼠标MX1000，激光鼠标发展迅速， 在适用范围、分辨率和精确度等方面都优于传统光电鼠标。可以预见，激光鼠标的技术 发展将会越来越成熟，成为市场的主流。3、3D鼠标目前市场上流通的传统鼠标基本都是在二维空间下操作，但是有些鼠标可以不同的 方式进行操作。Axsotic设计的3D鼠标可以提供6种自由度，它不但可以在三维坐标轴 中移动，还可以在3D空间中旋转。图6 3D鼠标4、意念控制鼠标鼠标的未来是意念控制。目前使用鼠标是单纯进行物理操作来执行，先由大脑发出 指令然后通过中枢神经将信号传输到整个手上再通过肌肉的收缩来达到指令的执行，这 是一个相对漫长的过程。而通过大脑的电波来直接控制电脑的想法，是一个相对可能的 解决方案，随着科技的发展，这项技术应用到电脑的控制系统中，、将会完全取代鼠标 的存在，成为最先进的电脑外设终端。尽管目前的消费级头戴式意念控制设备仍然不够 实用，但总有一天它能够走进每个家庭。图7大脑感应设备