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科个普 原来你是这样的鼠标

作者:智趣东西

平日日常使用的鼠标是如何工作的呢,可能这个问题很多人都没有仔细想过吧?为什么它能够在屏幕上自如滑动“指哪点哪”,鼠标点击又是如何转化成执行的操作?还有,为什么鼠标有的时候会出现连击现象,这是哪里出现了问题?如果你也有这些一文,我们可以深入其中,一探究竟。

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鼠标诞生记

1968年12月9日,全世界第一个鼠标诞生,发明者设计鼠标的初衷就是为了使计算机的操作更加简便,来代替键盘那繁琐的指令。最初的鼠标是一只小木头盒子,工作原理是由它底部的小球带动枢轴转动,并带动变阻器改变阻值来产生位移信号,信号经由电脑处理屏幕上的光标就可以跟随移动。

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鼠标真正开始普及,是在苹果公司以四万美元买下鼠标生产许可后才发生的。当年著名的Lisa电脑是第一个标配鼠标的产品,配套的鼠标与众不同的一点是它使用了一个钢球,而不是之后出现的现代鼠标里的橡胶球。

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1982年罗技公司发明世界第一款光电机械鼠标,也就是这个时候鼠标基本结构成熟,至今我们使用的鼠标都没有摆脱当初的设计思路。

1999年光学鼠标横空出世,安捷伦推出了世界上第一款基于LED的光学鼠标产品。这种鼠标不需要工作在鼠标垫上,在光学定位技术上取得了决定性的突破。

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鼠标如何工作?

操作鼠标时光标的准确度,主要取决于感应器(滚轮或光电感应)与握持部位之间的关系。设计不佳的鼠标,无法引导用户以较舒适的方式使用鼠标,也能导致指针的准确性不佳。以我们日常使用最多的光学鼠标为例,一个鼠标的内部构造主要以PCB电路板(包括发光二极管、光学引擎传感器、主控芯片、光学透镜、)为核心,配以光栅滚轮或机械式滚轮(非光栅滚轮)、ABS材质的外壳、按键、线材(或无线收发器)、微动开关组成、光学透镜几个部分组成。

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那么鼠标如何工作的呢?光学鼠标首先通过底部的LED灯以30度角射向平面、如桌面,通过照射出粗糙的表面所产生的阴影(无论看起来多么光滑,实际上都是坑坑洼洼的),经由平面的折射透过透镜反馈到传感器上。当你移动鼠标的时候,光学引擎传感器会“记录”获得一个连续的图像,然后通过内部的数字信号处理器(DSP)对每张图片的前后对比分析处理,从而判断鼠标的移动方向及位置,从而获得X、Y轴的坐标。

接着,通过SPI传给传给鼠标的微型控制单元,即主控芯片。主控芯片经过计算,将获得的结果数据或是通过线缆或是通过无线信号传输给电脑。这里,所谓的“记录”获得一个连续的图像,实际上就是鼠标的采样率。它的单位是Frames/sec(帧/秒),表示在一秒内鼠标可以采集和处理的图像究竟是什么样的水平,自然,这个数值越高越好。

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鼠标无论是传统LED光学鼠标,还是使用激光为光源的鼠标,本质上都属于光学鼠标范畴,区别在于,激光光源属于相干光(Coherent Light),它的波长非常单一,即便经过长距离传输依然能保持其强度和波形,表现稳定,而LED光源则属于非相干光(Incoherent Light)。

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激光光源获得影像的过程是根据激光照射在物体表面,其所产生的干涉条纹而形成的光斑点,再反射到传感器上获得,传统的LED光源则通过照射粗糙的表面所产生的阴影来获得。因此激光光源能对表面的图像产生更大的反差,从而光学引擎传感器得到的图像更容易辨别,从而提高鼠标的定位精准性。

微动是什么?

除了鼠标指针的移动,那么鼠标的点击又是如何产生的呢?本质上,绝大多数鼠标是通过微动开关的触发来实现的。

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微动开关是具有微小接点间隔和快动机构,用规定的行程和规定的力进行开关动作的接点机构,用外壳覆盖,其外部有驱动杆的一种开关,因为其开关的触点间距比较小,故名微动开关,又叫灵敏开关。微动开关具有微小接点间隔和速动机构,用规定的行程和力进行开关动作的接点机构,被外壳覆盖,其外部有传动器,且外形较小。微动开关由5个大类的构成要素组成。其触点间距较小,力矩较大,一般外部有驱动杆。

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外机械力通过传动元件(按销、按钮、杠杆、滚轮等)将力作用于动作簧片上,当动作簧片位移到临界点时产生瞬时动作,使动作簧片末端的动触点与定触点快速接通或断开。当传动元件上的作用力移去后,动作簧片产生反向动作力,当传动元件反向行程达到簧片的动作临界点后,瞬时完成反向动作。微动开关的触点间距小、动作行程短、按动力小、通断迅速。传统的机械结构微动开关,长时间闲置或是长期使用,或多或少存在着物理磨损以及氧化问题,会导致接触不良,或者触点位置偏移造成无法触发、双击等问题。目前厂商都会通过不同方法来增加弹簧片耐磨损能力来提高寿命,或采用合金材质来增强触点部分的电气性能。

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也就是说,微动开关是一种机械式开关,除了笔记本使用的触摸板,苹果的Magic Mouse鼠标采用电容感应原理之外,绝大多数鼠标产品都是依靠这种机械式触发开关来实现点击操作的。

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目前的微动开关种类可以分为传统微动、静音微动、光学微动等几大种类,微动品牌主要是欧姆龙、松下、樱桃、IC、ZIPPY、TTC、凯华、双飞燕、富勒、华诺等。

从触发寿命看,从500万次级别至6000万次级别都有,当然入门级、中端鼠标产品多采用500万次至1000万次产品,2000万次乃至6000万次的产品,或是高端鼠标标配、DIY用户自行购买更换为主了。其实,绝大部分鼠标的损坏不过是微动开关出现故障,光学引擎、主控芯片都是好好的。

滚轮是怎么工作的?

除了按键,鼠标另一个重要的组成部分就是滚轮了,它的出现其实要比鼠标晚了许多。1995年,鼠标滚轮出现Genius公司发明了“多维混合鼠标器装置”,其目的是为了更加方便的控制鼠标的移动。它在两个标准鼠标按键间加了一个胶化塑料滚轮,这个滚轮也可以当做按键。另外,滚动它就能够轻易地滚动窗口页面。

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鼠标的滚轮设计一般包括两种,一个是光栅式滚轮,另一个是机械式滚轮。目前,机械式滚轮占有统治级地位。机械式滚轮与光栅结构滚轮相比,机械编码器滚轮具有安装容易,结构简单,主控编程容易等优点,目前绝大部分鼠标都使用机械编码器结构制作鼠标滚轮。与光栅式滚轮不同,机械式滚轮核心元件仅包括一个机械编码器即可完成工作。鼠标滚轮滚动带动编码器内的转盘转动,转盘上的触点与编码器内部固定触点相接触而产生通断信号。

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两相对比,光栅式滚轮之于机械式滚轮的优点就是滚动比较精准,但是它的机械结构决定了寿命不及光栅式滚轮耐用。光栅式滚轮是一个对称的设计,轴的支点在滚轮正中。而机械式滚轮的轮轴支点实际上是偏向一侧,长期使用时受力并不均匀,寿命自然要来得差一些。另外,机械滚轮的滚动感受和耐用品质非常依赖于滚轮生产商的用料、设计,一些低价产品就是因为用料不佳导致耐用性较差。

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有趣的是,光栅式滚轮的成本其实是要高于机械式滚轮的,这恐怕是很多人没有想到的,同等级别的鼠标产品,如果是采用光栅式滚轮,其售价必然要高出采用机械式滚轮的。除了精度问题、成本问题,光栅式滚轮竞争不过机械式滚轮另一个重要愿意在于耗电问题——当下越来越多的鼠标采用无线设计,无论是2.4GHz产品还是蓝牙产品,为了尽可能延长电池使用续航时间,都会想尽办法优化,光栅式滚轮本质上是依靠电信号判断的,耗电问题始终不可逾越——机械式滚轮只有导通、断开的问题,不消耗任何电能,因此,光栅式滚轮已经被鼠标厂商抛弃了。