Развитие датчиков компьютерной мыши

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

на тему: Развитие датчиков компьютерной мыши



Оглавление

Введение

1. «Эволюция» датчиков компьютерной мыши

1.1 Прямой привод

1.2 Шаровой привод

2. Оптическая мышь

3. Лазерная мышь

Заключение

Использованная литература



Введение

Неотъемлемой частью любого рабочего компьютера являются всевозможные периферийные устройства. Особое место среди них занимает компьютерная мышь.

Компьютерная мышь (просто «мышь» или «мышка») -- механический манипулятор, преобразующий движение в управляющий сигнал. В частности, сигнал может быть использован для позиционирования курсора или прокрутки страниц. Мышь воспринимает своё перемещение (обычно -- на участке поверхности стола) и передаёт эту информацию компьютеру. Программа, работающая на компьютере, в ответ на перемещение мыши производит на экране действие, отвечающее направлению и расстоянию этого перемещения. компьютерный мышь оптический лазерный

В наши дни существуют разнообразные модели, однако все они делятся по типу определения координат перемещения по плоскости. В процессе «эволюции» наибольшие изменения претерпели именно датчики перемещения.



1. «Эволюция» датчиков компьютерной мыши

1.1 Прямой привод

9 декабря 1968 года компьютерная мышь была представлена на показе интерактивных устройств в Калифорнии. Для определения координат перемещения первая компьютерная мышь использовала два перпендикулярных колеса, выступающих из устройства. При перемещении мыши колеса крутились каждое в своем направлении.

1.2 Шаровой привод

В шаровом приводе движение мыши передается на выступающий из корпуса обрезиненный стальной шарик (его вес и резиновое покрытие обеспечивают хорошее сцепление с рабочей поверхностью). Два прижатых к шарику ролика снимают его движения по каждому из измерений и передают их на датчики угла поворота (инкрементальные энкодеры), преобразующие эти движения в электрические сигналы.

Существовало два вида датчиков для мыши с шаровым приводом

Контактный энкодер.

Контактный датчик представляет собой текстолитовый диск с лучевидными металлическими дорожками и тремя контактами, прижатыми к нему. Такой датчик достался шаровой мыши «в наследство» от прямого привода. Основными недостатками контактных датчиков является окисление контактов, быстрый износ и невысокая точность. Поэтому со временем все мыши перешли на бесконтактные оптопарные датчики.



Оптический энкодер.

Оптический датчик состоит из двойной оптопары -- светодиода и двух фотодиодов (обычно -- инфракрасных) и диска с отверстиями или лучевидными прорезями, перекрывающего световой поток по мере вращения. При перемещении мыши диск вращается и с фотодиодов снимается сигнал с частотой, соответствующей скорости перемещения мыши. Разница фаз засветки между двумя фотодиодами определяет направление вращения. Аналогичный сенсор стоит на колесике прокрутки.

Основной недостаток шарового привода-- загрязнение шарика и снимающих роликов, приводящее к заеданию мыши и необходимости в периодической её чистке (отчасти эта проблема сглаживалась путём металлизации роликов). Несмотря на недостатки, шаровой привод долгое время доминировал, успешно конкурируя с альтернативными схемами датчиков. В настоящее время шаровые мыши почти полностью вытеснены оптическими мышами второго поколения.



2. Оптический мыши

Компьютерные технологии стремительно развиваются. Прошло время и на смену механическим пришли оптические датчики. Главная задача оптических датчиков - непосредственное слежение перемещения мыши относительно поверхности.

Различают оптические мыши двух поколений. Первое поколение оптических датчиков было представлено различными схемами оптопарных датчиков с непрямой оптической связью -- светоизлучающих и воспринимающих отражение от рабочей поверхности светочувствительных диодов. Такие датчики имели одно общее свойство -- они требовали наличия на рабочей поверхности (мышином коврике) специальной штриховки (перпендикулярными или ромбовидными линиями). На некоторых ковриках эти штриховки выполнялись красками, невидимыми при обычном свете (такие коврики даже могли иметь рисунок). Недостатками таких датчиков были: необходимость использования специального коврика и невозможность его замены другим, необходимость определённой ориентации мыши относительно коврика, в противном случае мышь работала неправильно.

Второе поколение. Наиболее распространенный сегодня тип компьютерных мышей, разработан компанией Agilent Technologies, в 1999 году.

«Зрение» такая оптическая компьютерная мышь получает благодаря следующему процессу. С помощью светодиода и системы фокусирующих его свет линз, под мышью подсвечивается участок поверхности. Отраженный от этой поверхности свет, в свою очередь, собирается другой линзой и попадает на приемный сенсор микросхемы -- процессора обработки изображений. Этот чип, в свою очередь, делает снимки поверхности под мышью с высокой частотой (кГц). Причем микросхема (назовем ее оптический сенсор) не только делает снимки, но сама же их и обрабатывает, так как содержит две ключевых части: систему получения изображения Image Acquisition System (IAS) и интегрированный DSP процессор обработки снимков.



На основании анализа череды последовательных снимков (представляющих собой квадратную матрицу из пикселей разной яркости), интегрированный DSP процессор высчитывает результирующие показатели, свидетельствующие о направлении перемещения мыши вдоль осей Ч и Y, и передает результаты своей работы вовне по последовательному порту.

Если мы посмотрим на блок-схему одного из оптических сенсоров, то увидим, что микросхема состоит из нескольких блоков, а именно:

· сновной блок, это, конечно же, Image Processor -- процессор обработки изображений (DSP) со встроенным приемником светового сигнала (IAS);

· Voltage Regulator And Power Control -- блок регулировки напряжения и контроля энергопотребления (в этот блок подается питание и к нему же подсоединен дополнительный внешний фильтр напряжения);

· Oscillator -- на этот блок чипа подается внешний сигнал с задающего кварцевого генератора, частота входящего сигнала порядка пары десятков МГц;

· Led Cоntrоl -- это блок управления светодиодом, с помощью которого подсвечивается поверхность по мышью;

· Serial Port -- блок передающий данные о направлении перемещения мыши вовне микросхемы.

Нужно уточнить, что информацию о перемещении мыши микросхема оптического сенсора передает через Serial Port не напрямую в компьютер. Данные поступают к еще одной микросхеме-контроллеру, установленной в мыши. Эта вторая «главная» микросхема в устройстве отвечает за реакцию на нажатие кнопок мыши, вращение колеса прокрутки и т.д. Данный чип, в том числе, уже непосредственно передает в ПК информацию о направлении перемещения мыши, конвертируя данные, поступающие с оптического сенсора, в передаваемые по интерфейсам PS/2 или USB сигналы. А уже компьютер, используя драйвер мыши, на основании поступившей по этим интерфейсам информации, перемещает курсор-указатель по экрану монитора.

Именно по причине наличия этой «второй» микросхемы-контроллера, точнее благодаря разным типам таких микросхем, довольно заметно отличались между собой уже первые модели оптических мышей.

В целом система оптического слежения мышей, помимо микросхемы-сенсора, включает еще несколько базовых элементов. Конструкция включает держатель (Clip) в который устанавливаются светодиод (LED) и непосредственно сама микросхема сенсора (Sensor). Эта система элементов крепится на печатную плату (PCB), между которой и нижней поверхностью мыши (Base Plate) закрепляется пластиковый элемент (Lens), содержащий две линзы (о назначении которых было написано выше).

В собранном виде оптический элемент слежения выглядит как показано выше. Схема работы оптики этой системы представлена ниже.

Оптимальное расстояние от элемента Lens до отражающей поверхности под мышью должно попадать в диапазон от 2.3 до 2.5 мм. Это рекомендации производителя сенсоров. Вот вам и первая причина, почему оптические мыши плохо себя чувствуют «ползая» по оргстеклу на столе, всевозможным «полупрозрачным» коврикам и т. п. И не стоит клеить на оптические мыши «толстые» ножки, когда отваливаются или стираются старые. Мышь из-за чрезмерного «возвышения» над поверхностью может впадать в состояние ступора, когда «расшевелить» курсор после пребывания мыши в состоянии покоя становится довольно проблематично.

За годы разработок оптические сенсоры Agilent Technologies претерпели существенные технологические усовершенствования, и последние их модели обладают весьма впечатляющими характеристиками. Первыми массово выпускаемыми оптическими сенсорами стали микросхемы HDNS. Эти сенсоры имели разрешение 400 cpi (counts per inch), то бишь точек (пикселей) на дюйм, и были рассчитаны на максимальную скорость перемещения мыши в 12 дюймов/с (около 30 см/с) при частоте осуществления снимков оптическим сенсором в 1500 кадров за секунду. Допустимое (с сохранением стабильной работы сенсора) ускорение при перемещении мыши «в рывке» для чипа HDNS-2000 -- не более 0.15 g (примерно 1.5 м/с2).

Затем на рынке появились микросхемы оптических сенсоров ADNS-2610 и ADNS-2620. Оптический сенсор ADNS-2620 уже поддерживал программируемую частоту «съемки» поверхности под мышью, с частотой в 1500 либо 2300 снимков/с. Каждый снимок делался с разрешением 18х18 пикселей. Для сенсора максимальная рабочая скорость перемещения по прежнему была ограничена 12 дюймами в секунду, зато ограничение по допустимому ускорению возросло до 0.25 g, при частоте «фотографирования» поверхности в 1500 кадров/с. Данный чип (ADNS-2620) также имел всего 8 ножек, что позволило существенно сократить его размеры по сравнению с микросхемой ADNS-2610 (16 контактов), внешне похожей на HDNS-2000. В Agilent Technologies задались целью «минимизировать» свои микросхемы, желая сделать последние компактнее, экономнее в энергопотреблении, а потому и удобнее для установки в «мобильные» и беспроводные манипуляторы.

Вышедший вскоре чип ADNS-2051 представлял собой гораздо более мощное решение, чем микросхемы HDNS-2000 или ADNS-2610, хотя внешне (упаковкой) был также на них похож. Этот сенсор уже позволял программируемо управлять «разрешением» оптического датчика, изменяя таковое с 400 до 800 сpi. Вариант микросхемы также допускал регулировку частоты снимков поверхности, причем позволял менять ее в очень широком диапазоне: 500, 1000,1500, 2000 или 2300 снимков/с. А вот величина этих самых снимков составляла всего 16х16 пикселей. При 1500 снимках/с предельно допустимое ускорение мыши при «рывке» составляло по прежнему 0.15 g, максимально возможная скорость перемещения -- 14 дюймов/с (т. е. 35.5 см/с). Данный чип был рассчитан на напряжение питания 5 В.

Такими были первые оптические сенсоры. К сожалению, им были свойственны недостатки. Большой проблемой, возникающей при передвижением оптической мыши по поверхностям, особенно с повторяющимся мелким рисунком, являлось то, что процессор обработки изображений порой путал отдельные похожие участки монохромного изображения, получаемые сенсором и неверно определял направление перемещения мыши.



В итоге и курсор на экране перемещался не так, как требовалось. Указатель на экране даже становился способен на экспромт -- на непредсказуемые перемещения в произвольном направлении. Кроме того, легко догадаться, что при слишком быстром перемещении мыши сенсор мог вообще утратить всякую «связь» между несколькими последующими снимками поверхности. Что порождало еще одну проблему: курсор при слишком резком перемещении мыши либо дергался на одном месте, либо происходили вообще «сверхъестественные» :) явления, например, с быстрым вращением окружающего мира в игрушках. Было совершенно ясно, что для человеческой руки ограничений в 12-14 дюймов/с по предельной скорости перемещения мыши явно мало. Также не вызывало сомнений, что 0.24 с (почти четверть секунды), отведенные для разгона мыши от 0 до 35.5 см/с (14 дюймов/с -- предельная скорость) это очень большой промежуток времени, человек способен двигать кистью значительно быстрее.

Понимали это и в Agilent Technologies. Разработчики осознавали, что характеристики сенсоров надо кардинально улучшать. В своих изысканиях они придерживались простой, но правильной аксиомы: чем больше снимков в секунду сделает сенсор, тем меньше вероятность того, что он потеряет «след» перемещения мыши во время совершения пользователем компьютера резких телодвижений :)

Хотя, как мы видим из вышеизложенного, оптические сенсоры и развивались, постоянно выпускались новые решения, однако развитие в этой области можно смело назвать «очень постепенным». По большому счету, кардинальных изменений в свойствах сенсоров так и не происходило. Но техническому прогрессу в любой области порой свойственны резкие скачки. Случился такой «прорыв» и в области создания оптических сенсоров для мышей. Появление оптического сенсора ADNS-3060 можно считать действительно революционным!

Оптический сенсор ADNS-3060, по сравнению со своими «предками», обладает поистине впечатляющим набором характеристик. Использование этой микросхемы, упакованной в корпус с 20-ю контактами, обеспечивает оптическим мышам невиданные ранее возможности. Допустимая максимальная скорость перемещения манипулятора выросла до 40 дюймов/с (то есть почти в 3 раза !), т.е. достигла «знаковой» скорости в 1 м/с. Это уже очень хорошо -- вряд ли хоть один пользователь двигает мышь с превышающей данное ограничение скоростью столь часто, чтобы постоянно чувствовать дискомфорт от использования оптического манипулятора, в том числе это касается и игровых приложений. Допустимое же ускорение выросло, страшно сказать, во сто раз (!), и достигло величины 15 g (почти 150 м/с²). Теперь на разгон мыши с 0 до предельных 1 м/с пользователю отводится 7 сотых. Программируемая скорость осуществления снимков поверхности оптическим сенсором у новой модели чипа превышает 6400 кадров/с, т.е. «бьет» предыдущий «рекорд» почти в три раза. Причем чип ADNS-3060 может сам осуществлять подстройку частоты следования снимков для достижения наиболее оптимальных параметров работы, в зависимости от поверхности, над которой перемещается мышь. «Разрешение» оптического сенсора по прежнему может составлять 400 или 800 cpi. Давайте на примере микросхемы ADNS-3060 рассмотрим общие принципы работы именно чипов оптических сенсоров.



Общая схема анализа перемещений мыши не изменилась по сравнению с более ранними моделями -- полученные блоком IAS сенсора микроснимки поверхности под мышью обрабатываются затем интегрированным в этой же микросхеме DSP (процессором), который определяет направление и дистанцию перемещения манипулятора. DSP вычисляет относительные величины смещения по координатам Ч и Y, относительно исходной позиции мыши. Затем внешняя микросхема контролера считывает информацию о перемещении манипулятора с последовательного порта микросхемы оптического сенсора. Затем уже этот внешний контроллер транслирует полученные данные о направлении и скорости перемещения мыши в передаваемые по стандартным интерфейсам PS/2 или USB сигналы, которые уже от него поступают к компьютеру.

Но вникнем чуть глубже в особенности работы сенсора. Блок-схема чипа ADNS-3060 представлена выше. Как видим, принципиально его структура не изменилась, по сравнению с далекими «предками». 3.3 В питание к сенсору поступает через блок Voltage Regulator And Power Control, на этот же блок возложена функции фильтрации напряжения, для чего используется подключение к внешнему конденсатору. Поступающий с внешнего кварцевого резонатора в блок Oscillator сигнал(номинальная частота которого 24 МГц, для предыдущих моделей микросхем использовались более низкочастотные задающие генераторы) служит для синхронизации всех вычислительных процессов, протекающих внутри микросхемы оптического сенсора. Например, частота снимков оптического сенсора привязана к частоте этого внешнего генератора (кстати, на последний наложены не весьма жесткие ограничения по допустимым отклонениям от номинальной частоты -- до +/- 1 МГц). В зависимости от значения, занесенного по определенному адресу (регистру) памяти чипа, возможны следующие рабочие частоты осуществления снимков сенсором ADNS-3060.

Значение регистра, шестнадцатеричное	Десятичное значение	Частота снимков сенсора, кадров/с
OE7E	3710	6469
12C0	4800	5000
1F40	8000	3000
2EE0	12000	2000
3E80	16000	1500
BB80	48000	500

Как нетрудно догадаться, исходя из данных в таблице, определение частоты снимков сенсора осуществляется по простой формуле: Частота кадров = (Задающая частота генератора (24 МГц)/Значение регистра отвечающего за частоту кадров).

Осуществляемые сенсором ADNS-3060 снимки поверхности (кадры) имеют разрешение 30х30 и представляют собой все ту же матрицу пикселей, цвет каждого из которых закодирован 8-ю битами, т.е. одним байтом (соответствует 256 градациям серого для каждого пикселя). Таким образом, каждый поступающий в DSP процессор кадр (фрейм) представляет собой последовательность из 900 байт данных. Но «хитрый» процессор не обрабатывает эти 900 байт кадра сразу по поступлении, он ждет, пока в соответствующем буфере (памяти) накопится 1536 байт сведений о пикселях (то есть добавится информация еще о 2/3 последующего кадра). И только после этого чип приступает к анализу информации о перемещении манипулятора, путем сравнения изменений в последовательных снимках поверхности.



С разрешением 400 или 800 пикселей на дюйм их осуществлять, указывается в бите RES регистров памяти микроконтроллера. Нулевое значение этого бита соответствует 400 cpi, а логическая единица в RES переводит сенсор в режим 800 cpi.

После того как интегрированный DSP процессор обработает данные снимков, он вычисляет относительные значения смещения манипулятора вдоль осей Ч и Y, занося конкретные данные об этом в память микросхемы ADNS-3060. В свою очередь микросхема внешнего контроллера (мыши) через Serial Port может «черпать» эти сведения из памяти оптического сенсора с частой примерно раз в миллисекунду. Заметьте, только внешний микроконтроллер может инициализировать передачу таких данных, сам оптический сенсор никогда не инициирует такую передачу. Поэтому вопрос оперативности (частоты) слежения за перемещением мыши во многом лежит на «плечах» микросхемы внешнего контроллера. Данные от оптического сенсора передаются пакетами по 56 бит.

Ну а блок Led Cотtrоl, которым оборудован сенсор, ответственен за управление диодом подсветки -- путем изменения значения бита 6 (LED_MODE) по адресу 0x0a микропроцессор оптосенсора может переводить светодиод в два режима работы: логический «0» соответствует состоянию «диод всегда включен», логическая «1» переводит диод в режим «включен только при необходимости». Это важно, скажем, при работе беспроводных мышей, так как позволяет экономить заряд их автономных источников питания. Кроме того, сам диод может иметь несколько режимов яркости свечения.



3. Лазерная мышь

Лазерная мышь устроена аналогичным образом, единственным отличием является использование полупроводникового лазера вместо камеры с диодом. При работе с лазерной мышью не наблюдается видимого свечения сенсора, что не отвлекает от работы.

Разрешение

Разрешение оптической мыши не превышает 1200 dpi. Лазерные мыши обладают разрешением около 2000 dpi. На самом деле, чтобы компьютерная мышь не вызывала задержек и трудностей в управлении, достаточно уже 800dpi (именно такой показатель был у шариковых мышек). Разрешение многих современных мышек можно изменить в настройках драйверов на их установку.



Скорость. Скорость передвижения мышки для обычных пользователей вряд ли имеет принципиальное значение, а вот для любителей компьютерных игр или художников дизайнеров, работающих на компьютере, это значение очень важное. Чтобы провести курсором через весь экран, оптическую мышь надо сдвинуть на 5 см, в то время как для лазерной, достаточно 2-3см.

Поверхность передвижения. Огромное преимущество лазерной мыши перед оптической - возможность передвижения по любым поверхностям: стеклу, дереву, ткани и т.д. Оптическая мышь, конечно, тоже будет работать на этих поверхностях, но движения курсора будут нестабильными с характерными «прыжками».

Цена. Конечно, лазерная мышь стоит несколько дороже оптической, но потребляет меньше электроэнергии. Таким образом, в беспроводных лазерных мышках экономится заряд батареек, а значит, их придется реже менять, соответственно - меньше траты. Поэтому экономическая выгода оптической мыши вопрос спорный.



Заключение

Первая компьютерная мышь была реализована 9 декабря 1968 года. С тех пор устройство ввода претерпело значительные изменения. В данной статье проделан обзор классификации по самому важному элементу мыши - датчику перемещения. Рассмотрены компьютерные мыши с датчиками перемещения, сделанными на основе прямого привода, шарового с контактным декодером, шарового с оптическим декодером, оптического датчика, лазерного датчика.

В наши дни наибольшей популярностью пользуются оптические и лазерные мыши. Это обусловлено тем, что они обладают хорошим разрешением, долговечностью и отлаженным процессом производства. Возможно, в будущем нас ждут совершенно иные устройства ввода. Уже сейчас разработаны тестовые образцы манипуляторов реагирующих на движения рук над столом или с прикрепленными к указательному пальцу датчику.



Использованная литература

1. Larry Greenemeier, The Origin of Computer Mouse, SCIENTIFIC AMERICAN, august 2009.

2. Evan Ackerman, A visual history of the computer mouse, DVICE, april 2011.

3. Computer History Museum, The Mouse, 2014г.

4. John Vardalas, From DATAR To The FP-6000 Computer: Technological Change In A Canadian Industrial Context, IEEE Annals of the History of Computing, Vol. 16, No.2, 2004г.

5. J. C. R. Licklider, The Computer as a Communication Device, Science and Technology, April 1998

Размещено на Allbest.ru

...