鼠标发展史

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2024年6月25日发(作者：)

计算机鼠标的工作原理及发展历史的研究

一摘要

研究了光电鼠标的工作原理及其应用，首先简要介绍了鼠标的发展历程以及光电

鼠标工作原理，分析了光电鼠标和普通鼠标的不同点。

二 鼠标的发展历史

1968年12月9日，全世界第一个鼠标诞生于美国加州斯坦福大学，它的发明者是

Douglas Englebart博士。Englebart博士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。他制作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，信号经计算机处理，屏幕上

的光标就可以移动。自此，鼠标和PC就结下了那种难以用言语表达的不解之缘。

鼠标的使用令电脑操作更为简易，而风靡全球的Windows操作系统及其相关应用软件

的普及亦加速了鼠标在PC间的广泛应用。一句话，鼠标的出现让我们的工作变得更为轻松

方便。

1968年12月9日Engilehbart 博士在IEEE会议上展示的世界上第一个鼠标，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。这款鼠标的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。

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MAC OS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。

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

品带来了很多思路的指引。

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。

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。（不过由于那个时候微软的硬件产品没有正式进入中国，所以当时

Intellimouse Explorer鼠标所引起的轰动反响并没有波及到中国大陆）

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），首先推出产品的

是安睫伦，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，所以相较第一代光学引擎性能提升并不明显。正是

因为这样安捷伦公司并没有对第二代产品大肆宣传，只是无声无息的取代了第一代产品。

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引擎，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，将刷新率提升到前所未有

的6000次/秒，同时将CMOS尺寸提升到22X22，同时一举解决了光电鼠标的丢帧和表面

适应性问题，同时全部控制电路整合到同一块芯片上，大大提高了系统的整合度。不过第

二代Intellieye引擎光学部分并没有重新设计，所以其分辨率仍为400DPI。

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来与IE3.0竞争，它使

用了和其它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令人诈舌的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，同时在光学性

能上已经不亚于传统的光机鼠标，成为历史上第一款近乎完美的光学引擎

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。

三 鼠标的分类

3．1 按照工作原理分类

经历了数年的飞速发展，如今的电脑配件以及周边的外设已经越来越好，我们最常用

的鼠标从滚轮到光电，从有线到无线，有着惊人的改变。不过在鼠标的工作原理方面，依

然延续着昔日的经典，没有太多的改变，只是如今的鼠标在性能上有着不小的突破。

鼠标按其工作原理的不同可以分为机械鼠标和光电鼠标。机械鼠标主要由滚球、辊柱

和光栅信号传感器组成。当你拖动鼠标时，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。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

鼠标箭头的移动。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。

机械鼠标的工作原理

机械鼠标的原理图如下：

机械鼠标主要由滚球、辊柱和光栅信号传感器组成。鼠标通过 ps/2 口或串口与主机

相连。接口中一般使用四根线，分别是电源 ，地，时钟和数据。

机械鼠标是通过移动鼠标，带动胶球，胶球滚动又磨擦鼠标内分管水平和垂直两个方

向的栅轮滚轴，驱动栅轮转动。栅轮轮沿为格栅状。紧靠栅轮格栅两侧，一侧是一红外发

光管，另一侧是红外接收组件。红外接收组件为一三端器件，其中包含甲乙两个红外接收

管。在水平和垂直栅轮夹角正对方向有一压紧轮，它使胶球无论向何方向滚动都始终压紧

在两个栅轮轴上。

机械鼠标是通过移动鼠标，带动胶球，胶球滚动又磨擦鼠标内分管水平和垂直两个方

向的栅轮滚轴，驱动栅轮转动。栅轮轮沿为格栅状。紧靠栅轮格栅两侧，一侧是一红外发

光管，另一侧是红外接收组件。红外接收组件为一三端器件，其中包含甲乙两个红外接收

管。在水平和垂直栅轮夹角正对方向有一压紧轮，它使胶球无论向何方向滚动都始终压紧

在两个栅轮轴上。

当你拖动鼠标时，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。它的底部没有相互垂直的片状圆轮，而是改用

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偏移量，反应

到屏幕上，就是光标可随着鼠标的移动而移动。

通过ps/2 口或串口与主机相连。接口使用四根线，分别为电源,地，时钟和数据。正

常工作时，鼠标的移动转换为水平和垂直栅轮不同方向和转速的转动。栅轮转动时，栅轮

的轮齿周期性遮挡红外发光管发出的红外线照射到接收组件中的甲管和乙管,从而甲和乙

输出端输出电脉冲至鼠标内控制芯片。由于红外接收组件中甲乙两管垂直排列，栅轮轮齿

夹在红外发射与接收中间的部分的移动方向为上下方向，而甲乙接收管与红外发射管的夹

角不为零，于是甲乙管输出的电脉冲有一个相位差。鼠标内控制芯片通过此脉冲相位差判

知水平或垂直栅轮的转动方向，通过此脉冲的频率判知栅轮的转动速度，并不断通过数据

线向主机传送鼠标移动信息，主机通过处理使屏幕上的光标同鼠标同步移动。

机械鼠标是靠橡胶球带动光栅轮的，用两套光电对管是因为鼠标有X、Y轴两个运动

方向，设仅横向移动鼠标，此时只有X轴方向的运动，那么存在需要识别X轴的光栅轮是

顺时针还是逆时针转动（也就是你的鼠标是向左移还是向右移），这就只能够依靠一套光电

对管来探测（光电对管指的是发光和接收两个元件），在光电接收管中按上下方位封装好两

个光电三极管就能通过判断两个光电三极管的导通次序来得知光栅轮的转动方向了。你要

用来测电机转动很简单，这个元件中间的引脚为公共集电极，1和3脚分别为两个光电三

极管的发射极，如果只需要测转速而不需判断电机转动方向则只需要在电路中连接1、2

或者2、3脚另一脚不接就是把这个元件当作单个光电三极管在用了。

光电鼠标的工作原理

原理图如下：

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

图片如下：

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。

光电鼠标的控制芯片

图片如下：

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”。

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。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

图片如下：

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。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

光学鼠标通过微型摄像头来摄取不同的图像，而要在黑漆漆的鼠标底部拍摄到画面，

就必须借助发光二极管来照明。一般说来，光学鼠标多采用红色或者蓝色的发光二极管，

但以前者较为常见，原因并非是红色光对拍摄图像有利，而是红光型二极管最早诞生，技

术成熟，价格也最为低廉。与第一代光电鼠标不同，光学鼠标不需要摄取反射光来定位，

发光二极管的唯一用途就是照明，因此其品质如何与鼠标的实际性能并不相关，只是一种

常规部件。要注意的是，光学鼠标内只有一个发光二极管，而第一代光电鼠标拥有X、Y

两个二极管，这是由二者不同的工作原理所决定的。

通常，光电鼠标采用的发光二极管是红色的（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。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。

光学引擎

光学引擎（OpticalEngine）是光学鼠标的核心部件，它的作用就好比是人的眼睛，

不断地摄取所见到的图像并进行分析。光学引擎由CMOS图像感应器和光学定位DSP（数

字信号处理器）所组成，前者负责图像的收集并将其同步为二进制的数字图像矩阵，而DSP

则负责相邻图像矩阵的分析比较，并据此计算出鼠标的位置偏移。光学鼠标主要有分辨率

和刷新频率两项指标，二者均是由CMOS感应器所决定，不过若分辨率、采样频率较高，

所生成的数字矩阵信息量也成倍增加，对应的DSP必须具备与之相称的硬件计算能力才行。

透镜组件

与发光二极管一样，光学鼠标的透镜组件也属于常规部件之列，但它却是成像的必不

可缺的关键部件。透镜组件位于鼠标的底部位置，它由连接在一起的一个棱光镜和一个圆

形透镜共同组成。棱光镜负责将发光二极管发射的光线折射至鼠标底部并将它照亮，为“光

线输出”的必要辅助。而圆形透镜则相当于摄像机的镜头，它负责将反射图像的光线聚焦

到光学引擎底部的接收孔中，相当于“光线输入”的辅助。不难看出，棱光镜与圆形透镜

具有同等的重要性，倘若我们将其中任何一个部件拿掉，光学鼠标便根本无法工作。

透镜组件不会直接决定光学鼠标的性能指标，不过与发光二极管一样，它们的品质会

影响鼠标的操作灵敏度。如果透镜组件品质不佳，光线传输时损耗较大，感应器就无法得

到清晰的图像，定位芯片在判断光标位置很容易出现偏差，而品质好的透镜组件就没有这

个问题。一般来说，光学鼠标的透镜可使用玻璃和有机玻璃两种材料，但前者加工难度很

大，成本高昂，后者虽然透明度和玻璃有一定差距，但具有可塑性好、容易加工、成本低

廉的优点，因此有机玻璃便成为制造光学鼠标透镜组件的主要材料。

采样频率

是光学鼠标独有的性能指标，它所指的是感应器每秒钟采集/分析图像的能力，单位为

“帧/秒”。安捷伦早期的H2000光学引擎的采样率只有1500帧/秒，也就是说它在一秒钟

内只能采集和处理1500张图像，此时它所能追踪到鼠标的最快移动速度为14英寸/秒，倘

若鼠标的移动速度超过这个范围，便会出现追踪失败，光标暂时消失的现象，这个弊端给

游戏玩家们造成相当大的困扰：在CS、Quake3之类的竞技游戏中，玩家们往往需要以30

英寸/秒的高速度甩动鼠标，区区1500帧/秒采样频率显然无法满足要求。为此许多人认为

光学鼠标不适合用来玩游戏，但后来光学引擎的发展让这一幕成为历史。

3.2 按照通信方式分类

有线鼠标

以上介绍的都是有线鼠标

无线鼠标

无线鼠标采用无线技术与计算机通信，从而省却了电线的束缚。其通常采用的无线通

信方式包括蓝牙、Wi-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。

无线鼠标是指无线缆直接连接到主机的鼠标。一般采用27M、2.4G、蓝牙技术实现与

主机的无线通讯。 鼠标自1968年诞生以来，已经经历过近40年的演变和发展。近10

年来，随着消费型电脑的普及，鼠标的工作方式也有了翻天覆地的进步：从早期的机械滚

轮鼠标到目前主流的光电鼠标再到中高端的激光鼠标……鼠标的每一次变革无不给用户带

来使用上的快感。此外，随着人们对办公环境和操作便捷性要求日益增高，无线鼠标普及

也被提到日程上来。

全球首个采用27 MHz RF无线技术的鼠标于1991年由罗技发布，而这位业界巨人于

1998年发布了首款无线键鼠套装。至此，采用27 MHz RF无线技术的键鼠产品拉开了进军

市场的序幕。

无线鼠标尽管普及率不高，但其发展却由来已久。早在1984年，罗技的第一款 明基

me900无线鼠标

无线鼠标就研制成功。不过那时候的无线鼠标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

带来了很多思路的指引。1994年，罗技技术研制成功RF 27MHz无线鼠标，此后无线鼠标

迅速发展起来。27MHz技术也成为了主流的无线键盘、鼠标通迅技术。1998年，SIG成立，

开始研发蓝牙技术。不过2.4G非联网方案与蓝牙技术都是近年来才应用到无线鼠标上。 无

线鼠标和有线鼠标的对比 无线鼠标给人们带来了无拘束的福音，却增加了更多的麻烦,

麻烦1:无线鼠标在使用中，不够精确比如移动太慢, 鼠标和屏幕移动不同步，出现飘移动或

拖影！!! 麻烦2.:无线鼠标, 需要外加电源供电，无论是什么电池供应,无疑是增加了我们对

鼠标的使用成本。麻烦3:在携带鼠标的同时还要.携带接收器。二者之间，必须协同工作. 任

意一个罢工,这个鼠标就报废了~~ 麻烦4:无线鼠标。商业炒作，超越实用性.装饰性,

超越了实用性，很多专业信息,不为外行人知。带有很强的欺骗性质 麻烦5: 相同价格位的

无线鼠标和有线相比，寿命缩短至少过半。

无线鼠标的缺点

第一点

1．延时及辐射问题，在早期的无线鼠标中，鼠标延时的确是一个不小的问题，但是随

着鼠标芯片的发展与无线技术的应用，在一般家用或者办公使用时，目前市场上的主流无

线鼠标的延时不明显，可以满足这类用户的需求。但是对于专业游戏玩家，可能大多数无

线鼠标并不适用。其实，所有的电子产品都有辐射，只不过辐射大小不同，市场上的主流

无线鼠标采用2.4GHz无线技术，还有少部分采用蓝牙无线技术，但是在辐射问题上，我们

并没有专门测量过无线产品的辐射数据，但是从技术角度来看，这两种无线技术的辐射很

小，可以忽略不计。所以，因为延时和辐射问题而拒绝无线鼠标，目前看来似乎有点不合

理。

第二点

2．无线鼠标与有线鼠标有一个最大的不同之处，无线鼠标需要通过电池来供电，而有

线鼠标可以通过电脑供电，所以无线鼠标的电池耗电量的大小能够影响到用户的使用成本

问题，这也是网友反应最多的一个问题，有些无线鼠标的耗电量较大，需要经常更换电池，

给不少网友增加了后期使用成本，不过从市场来看，电池的使用寿命在3个月左右的产品就

是不错的选择，而且用户可以考虑使用充电电池来节约后期成本。另外，鼠标内部装入电

池后，必然会增加鼠标的重量，影响到与鼠标垫的摩擦力，市场上的无线鼠标有使用单节

和双节5号电池，也有使用7号电池的。所以，电池寿命与无线鼠标重量的却是一个不小的

问题。

第三点

3．无线鼠标不适合玩游戏，这个理由对吗？对于一些职业玩家或者对游戏操作要求较

高的游戏玩家，无线鼠标相比有线鼠标不具优势，主要体现在性能方面，不过市场上也有

专门针对游戏玩家而设计的游戏鼠标，比如罗技G7。无线鼠标是否适合玩游戏，其实与游

戏类型、用户需求关系更大。所以并不能完全否定无线鼠标不适合玩游戏，但是在竞技游

戏比赛中，使用无线鼠标的职业选手还没有出现过。

第四点

4．对于采用2.4GHz技术的无线鼠标，在第一次使用时，必须要经过码率配对过程，

对于有些用户而言，比起有线鼠标，这个过程可能会显得比较麻烦。所以无线鼠标适配器

虽然也都采用USB接口，但是在第一次使用之前，必须要经过配对过程。

第五点

5．早期的无线鼠标，昂贵的价格并不是每位消费者都能接受，但是随着无线鼠标产品

的增多，市场上低端无线鼠标已经与有线鼠标平起平坐，但是如果与同档次的有线鼠标相

比，无线鼠标的售价会较高，所以价格因素也是网友不买无线鼠标的一个原因。

四总结

通过这次课程设计，我了解了计算机鼠标的发展历史和工作原理，我也真正了解了微

机原理的部分知识的应用。

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