光电鼠标原理

光电鼠标原理 相对于传统的机械式鼠标，光电鼠标具有定位准确、移动流畅且不易脏污等 优点。并且，随着光电鼠标价格的不断下跌，取代机械式鼠标而成为市场主流的 趋势已不可阻挡。 广告：d_text 今天，笔者就以方正品牌机配备的光电鼠标为例，带领大家一起去见识一下 光电鼠标的内部“风光”。 光电鼠标的工作原理 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。 光电鼠标的工作原理是：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。 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。下面分别进行介绍： 光学感应器 光学感应器是光电鼠标的核心，目前能够生产光学感应器的厂家只有安捷 伦、微软和罗技三家公司。其中，安捷伦公司的光学感应器使用十分广泛，除了 微软的全部和罗技的部分光电鼠标之外，其他的光电鼠标基本上都采用了安捷伦 公司的光学感应器。 图1 光电鼠标内部的光学感应器 安捷伦公司的光学感应器主要由CMOS感光块（低档摄像头上采用的感光元件）和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DSP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2 光学感应器内部的组成方式 图1是方正光电鼠内部的光学感应器，它采用的是安捷伦公司的 H2000-A0214光学感应元件，其芯片内部的组成方式可参见图2。图3是H2000- A0214光学感应器的背面，从图中我们可以看到，芯片上有一个小孔，这个小孔 用来接收由鼠部底部的光学透镜传送过来的图像。 图3 光学感应器背面的小孔用来接收由鼠部底部的光学透镜传送过来的图像 光电鼠标的控制芯片 控制芯片负责协调光电鼠标中各元器件的工作，并与外部电路进行沟通（桥 接）及各种信号的传送和收取。我们可以将其理解成是光电鼠标中的“管家婆”。 图4是罗技公司的CP5919AM控制芯片，它可以配合安捷伦的H2000-A0214光学感应元件，实现与主板USB接口之间的桥接。当然，它也具备了一块控制芯 片所应该具备的控制、传输、协调等功能。 这里有一个非常重要的概念大家应该知道，就是dpi对鼠标定位的影响。dpi是它用来衡量鼠标每移动一英寸所能检测出的点数，dpi越小，用来定位的点数 就越少，定位精度就低；dpi越大，用来定位点数就多，定位精度就高。 图4 罗技公司的CP5919AM控制芯片 通常情况下，传统机械式鼠标的扫描精度都在200dpi以下，而光电鼠标则能达到400甚至800dpi，这就是为什么光电鼠标在定位精度上能够轻松超过机 械式鼠标的主要原因。 光学透镜组件 光学透镜组件被放在光电鼠标的底部位置，从图5中可以清楚地看到，光学透镜组件由一个棱光镜和一个圆形透镜组成。 图5 光学透镜组件由一个棱光镜和一个透镜组成 其中，棱光镜负责将发光二极管发出的光线传送至鼠标的底部，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 部图像传送至光学感应器底部的小孔中。通过观看光电鼠标的背面外壳，我们可 以看出圆形透镜很像一个摄像头（如图6）！ 图6 光电鼠标的背面外上的壳圆形透镜很像一个摄像头 通过试验，笔者得出结论：不管是阻断棱光镜还是圆形透镜的光路，均会立 即导致光电鼠标“失明”。其结果就是光电鼠标无法进行定位，由此可见光学透 镜组件的重要性。 发光二极管 光学感应器要对缺少光线的鼠标底部进行连续的“摄像”，自然少不了“摄 影灯”的支援。否则，从鼠标底部摄到的图像将是一片黑暗，黑暗的图像无法进 行比较，当然更无法进行光学定位了。 图7 光电鼠标内部的发光二极管 通常，光电鼠标采用的发光二极管（如图7）是红色的（也有部分是蓝色的），且是高亮的（为了获得足够的光照度）。发光二极管发出的红色光线， 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标工作时所需要的光 源。 轻触式按键 没有按键的鼠标是不敢想象的，因而再普通的光电鼠标上至少也会有两个轻 触式按键。方正光电鼠标的PCB上共焊有三个轻触式按键（图8）。除了左键、右 键之外，中键被赋给了翻页滚轮。高级的鼠标通常带有X、Y两个翻页滚轮， 而大多数光电鼠标还是像这个方正光电鼠标一样，仅带了一个翻页滚轮。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。而当滚轮按 下时，则会使PCB上的“中键”产生作用。注意：“中键”产生的动作，可由用 户根据自己 的需要进行定义。 图8 方正光电鼠标的PCB上共焊有三个轻触式按键 当我们卸下翻页滚轮之后，可以看到滚轮位置上，“藏”有一对光电“发射 /接收”装置（如图9）。“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，便可以产生翻页动作了。 图9 光电“发射/接收”装置 除了以上这些，光电鼠标还包括些什么呢？它还包括连接线、PS/2或USB接口、外壳等。由于这几个部分与机械式鼠标没有多大分别，因此，这里就不再 说明了！ 传统光学鼠标工作原理示意图 光学跟踪引擎部分横界面示意图 光学鼠标主要由四部分的核心组件构成，分别是发光二极管、透镜组件、光 学引擎（Optical Engine）以及控制芯片组成。 光学鼠标通过底部的LED灯，灯光以30度角射向桌面，照射出粗糙的表面 所产生的阴影，然后再通过平面的折射透过另外一块透镜反馈到传感器上。 当鼠标移动的时候，成像传感器录得连续的图案，然后通过“数字信号处理 器”(DSP)对每张图片的前后对比分析处理，以判断鼠标移动的方向以及位移， 从而得出鼠标x, y方向的移动数值。再通过SPI传给鼠标的微型控制单元（Micro Controller Unit）。鼠标的处理器对这些数值处理之后，传给电脑主机。传统 的光电鼠标采样频率约为3000 Frames/sec（帧/秒），也就是说它在一秒钟内 只能采集和处理3000张图像。 根据上面所讲述的光学鼠标工作原理，我们可以了解到，影响鼠标性能的主 要因素有哪些。 第一，成像传感器。成像的质量高低，直接影响下面的数据的进一步加工处理。 第二，DSP处理器。DSP处理器输出的x，y轴数据流，影响鼠标的移动和定位性 能。 第三，SPI于MCU之间的配合。数据的传输具有一定的时间周期性（称为数据回 报率），而且它们之间的周期也有所不同，SPI主要有四种工作模式， 另外鼠标采用不同的MCU，与电脑之间的传输频率也会有所不同，例如125MHZ、8毫秒；500MHz，2毫秒，我们可以简单的认为MCU可以每8毫秒 向电脑发送一次数据， 目前已经有三家厂商（罗技、Razer、Laview）使用了2毫秒的MCU，全速USB，因此数据从SPI传送到MCU，以及 从MCU传输到主机电脑，传输时间上 的配合尤为重要。 光电鼠标电路图