毕业设计75光电鼠标原理及其应用研究

第一章前言

1.1鼠标的发展历史

鼠标自从诞生到今天，已经有38个年头了，这38年来，鼠标无论在性能还是工作原理上都有了许多变化。“mouse”换代发展反映了计算机技术的普及和应用电子技术的突飞猛进。同时也证明了一个结论：原创+科技进步=产品的生命。

曾经获得计算机界最权威的“图灵奖”的道格拉斯?恩格尔巴特（Douglas Englebart）博士于1968年12月9日在IEEE会议上展示了世界上第一个鼠标。如图所示：一个木质的小盒子，盒子下面有两个互相垂直的轮子，每个轮子带动一个机械变阻器获得X、Y轴上的位移，在盒子的上面则有一个按钮开关提供连通信号。鼠标的这款鼻祖与今天的鼠标结构大不相同，甚至还需要外置电源给他供电才能正常工作。然而他却引领了一个科技领域的几次革命，带给计算机工作者一次次的欢欣鼓舞。

第一个mouse

1983年苹果公司受到仙童公司著名STAR计算机的启发，在当年推出的Iisa电脑上第一次使用了鼠标作为GUI（Graphical user interface）界面操作工具。这款电脑虽然不成功，但它为转年推出的Macintosh以及MACOS操作系统提供了经验，鼠标的黄金年代来临了。这个时候的鼠标还是老式的机械式鼠标，但是对于最初的产品已经有了新的改良,鼠标球取代了不灵活的单滚球，单键设计被更加灵活的双键/三键所取代，可供电的标准RS232串行口设计取代了早期的独立接口，现代鼠标的基本结构已经成型。1982年罗技公司发明的世界第一款光机鼠标，光机结构是鼠标发展史上最大的发明。也就是这个时候现在鼠标的结构设计基本成熟，光机鼠标统治了鼠标市场达18年之久。

1984年罗技的第一款无线鼠标研制成功，那时候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发展的潜能。

1996年由微软发明的鼠标滚轮是鼠标发展史上十分重大的发明，今天滚轮已经成为鼠标的标配之一。现在流行的滚轮设计一般包括两种，一是机械式滚轮，也就是用滚轮来带动

一个机械电位器以获得信息，微软的很多鼠标都是采用这种结构。它的优点就是滚动比较精准，但是机械结构存在磨损问题。

另一种滚轮就是光电式滚轮，罗技等大多数厂商都是采用这种设计。它的滚轮内部就是一个栅轮。在栅轮的两侧分别有一个发光二级管和光敏二级管，工作原理上和光机鼠标获得滚动信息的方式是一样的。

微软的机械式滚轮鼠标

1999年微软与安捷伦公司合作，推出了Intellimouse Explorer鼠标，揭开了光学成像鼠标的时代的序幕。其中Intellieye定位引擎是世界上第一个光学成像式鼠标引擎，它的高适应能力和不需清洁的特点成为当时最为轰动的鼠标产品，被多个科学评选评为1999年最杰出的科技产品之一。

2000年罗技推出的光电鼠标

2000年，罗技公司也推出了同类的光电鼠标产品，使用安捷伦H2000光学成像引擎，性能上和Intellimouse Explorer鼠标一样。这一代产品是光学成像引擎的第一代产品，这一代的光电鼠标拥有一些现在已经众所周知的缺点，比如仅为1500次/秒的刷新率和400CPI 的分辨率。对采样表面的适应性差，尤其对镜面以及花纹表面。

2001年安捷伦推出了自己第二代光学成像引擎（A2030、A2051），它在CMOS和DSP 引擎都没有重大变化的背景下，通过对光学引擎的重新设计将引擎的分辨率提升到800DPI，同时将刷新率提升到2000—2500次/秒。但是由于这一次的技术改良并没有增大CMOS的尺寸，所以较第一代光学引擎性能提升并不明显。

2001年微软推出的应用第二代Intellieye引擎的光学鼠标2001年底微软结束了与安捷伦的合作以后，独立推出了第二代Intellieye擎，与前一代相比它的改变极为重大—微软重新设计了CMOS和DSP算法，将新率提升到前所未有的6000次/秒，同时将CMOS尺寸提升到22X22，同时一解决了光电鼠标的丢帧和表面适应性问题，同时把全部控制电路整合到同一块片上，大大提高了系统的整合度。不过第二代Intellieye引擎光学部分并没重新设计，所以其分辨率仍为400DPI。参见图。

2002年罗技推出的双光头极光飞貂鼠标

2002年初罗技推出了光电鼠标历史上独一无二的双光头极光飞貂鼠标（如图1-7）来与IE3.0竞争，它使用了和安捷伦引擎所不同的IAS芯片和两个第二代的安捷伦DSP处理器，通过将两个SPI芯片交替运行来获得更高的处理速度，尽管CMOS的面积没有变化，但由于两个光头在不同的位置上采样，所以表面的适应性要比同期罗技单光头的鼠标来得好些。

2002年罗技推出的应用MX光学引擎的鼠标

2002年下半年，罗技推出了和安捷伦合作一年的成果—新一代MX光学引擎，新的光学引擎在保留800DPI的前提下，将像素处理能力提升到470万像素/秒，同时将CMOS尺寸加大到30X30。这使得它在性能上超过了一切原有的光学引擎，成为历史上第一款成功的光学引擎。

2003年9月，微软推出了全新系列的鼠标产品。它们全部采用“Tilt Wheel”滚轮，这种滚轮最大的特点是通过左右倾斜可以实现对水平方向移动的控制。

罗技公司于2004年8月宣布，推出MX系列的最新家族成员——MX1000 LaserCordless Optical Mouse，它拥有着超酷外形，无线的连接方式，出色的人体工程学设计，最重要的是采用了20倍于传统鼠标的激光定位技术，因此MX1000可以说是一款革命性的鼠标产品，它一经推出就受到全球玩家的密切关注。

2005年9月微软也正式发布了第三代IntelliEye光学引擎，被形象的称为Laser激光引擎。其主打产品暴雷鲨6000的分辨率，更达到了1000dpi。总结上面的鼠标发展简史，不难发现两点：

首先，随着技术的快速革新，鼠标也同其它电子产品一样更新换代越来越快。从光电鼠标的出现，到主导市场仅用了短短的4年时间。看来不久的将来，我们只有在博物馆里面才能看到机械鼠标了。

其次从鼠标最初设计的初衷来看，光电鼠标的更新换代，到以微软的IE 4和罗技的MX 系列为代表的“上一代”光电鼠标上市，鼠标的设计已经基本具备一款完美鼠标所应该具备的绝大部分特征。新一代鼠标的研发进入一个“休整期”。然而人类无休止的追求是科技发展的原动力。业界对精品的追求引导包括罗技在内的厂商在提高产品质量和性价比上投入研究的人力和物力。无线激光鼠标测试系统的研究自然成为题中应有之意。

1.2 本题研究的主要内容

光电鼠标器是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。光电鼠标用光电传感器代替了滚球。这类传感器需要特制的、带有条纹或点状图案的垫板配合使用。

光电鼠标由光断续器来判断信号，最显著特点就是需要使用一块特殊的反光板作为MOUSE移动时的垫。这块垫的主要特点是其中那微细的一黑一白相间的点。原因是在光电MOUSE的底部，有一个发光的二极管和两个相互垂直的光敏管，当发光的二极管照射到白点与黑点时，会产生折射和不折射两种状态，而光敏管都这两种状态进行处理后便会产生相应的信号。从而使电脑作出反应，一旦离开那块垫，那光电鼠标就不能使用了。

光电鼠标集现代高分辨率成像技术和数字图像处理技术于一体，是鼠标技术的重大发明，以其独特的技术和价格优势迅速成为计算机的标准配置。本课题主要研究相对问题，提出在其他技术上的应用。

1．熟悉光电鼠标的工作原理