2024-04-24 09:07:22 | 来源: 互联网整理
前排警告
警告
您将在考试周中浪费宝贵的12分钟阅读此推送，其中包含但不限于以下内容：
我的电脑如何知道我的鼠标是鼠标，我的键盘是键盘？
为什么我的机械键盘只能同时按六个键，而笔记本电脑的内置键盘却可以按“ASDFGHJKL;” 同时十个键没有问题吗？
为什么我无法同时按下笔记本电脑键盘上的四个 QWAS 键？
自娱自乐/随意科普/自我抱怨/作者傻
自从加了显示器之后，我就一直想加一个机械键盘。 但本着买不如做（？）的原则，我决定自己打造一个机械键盘。
“打造机械键盘”的目标大致分为两个任务：
如何制作你认为是键盘的东西
如何让电脑知道自己是键盘
下面我们分别谈谈如何实现这两方面：
01
机械键盘结构介绍
想要打造机械键盘，首先要知道机械键盘包括哪些部件：
键轴
机械键盘作为键盘诞生以来一直沿用的结构，至今仍然受到很多人的青睐。 关键在于它的感觉（和噪音）。 按键开关是赋予机械键盘独特手感的关键。
所谓钥匙轴本质上就是一个开关：钥匙轴内部有一个弹簧和一个接触开关。 按下时，触点开关接通； 释放时，弹簧弹起，接触开关关闭。
通过改变弹簧的刚度系数和接触开关的结构，键轴可以得到多种手感（和声音）。 不同手感的按键开关往往通过颜色来区分。 之前没接触过机械键盘，所以这次本着好玩的原则，买了绿轴和静音红轴。
绿轴
静音红轴
图是我买的国产轴。 谁有钱就可以买Cherry斧头。 反正我没买。 一根Cherry轴可以买三把国产轴……
除了颜色之外，按键开关还可以按照许多不同的维度进行分类：
PCB（印刷电路板）
如果说键轴是机械键盘的灵魂，那么PCB可以说是机械键盘的生命：键轴焊接/插装在PCB板上后，PCB板上的芯片完成的功能读取按键状态并与电脑通讯。
键盘的PCB非常简单，只需将按键与控制芯片连接即可。 简单来说，就是在芯片的GPIO口上连接几个开关。
然而，全键盘上有 104 个轴。 我们需要一个具有 104 个 GPIO 端口的芯片吗？
不！ 我们可以将按键轴连接成棋盘状，读取按键状态时，向每一行输入高电平，观察每一列的电平是否升高。 这就是为什么只有4+4=8个接口的矩阵键盘才能读取4×4=16个按键的状态。
暑假选过硬件的读者应该对矩阵键盘很熟悉。
但这种结构仍然存在问题：按下位于第 i 行 j 列的按键 A(i, j) 后，如果再次按下 B(i, n) 和 C(m, j)，则m 行的输入会通过 C→A→B 传递到 n 列，使键盘认为 D(m, n) 也同时被按下。
问题的关键是我们希望信号从行到列单向传输，但按键开关是双向的。 因此只需将一个二极管与每个按钮串联即可。
题外话
对于笔记本自带的薄膜键盘来说，没有足够的空间来添加二极管，所以我们必须使用软件来管理按键：当A(i,j)、B(i,n)、C(m,j) ) 被检测到， )，则强制认为 D(m, n) 处于未按下状态。 也就是说，两行两列交出的四个按钮不能同时按下。 读者可以自行测试：同时按下笔记本电脑键盘上的QWAS时，会发现最多只能输入三个键； 但同时按下四个ASDF键时，四个键都可以正常读取。 （虽然PCB的电气排列并不一定与位置排列完全一致，一般会改变电气连接方式，以减少四键冲突的影响。例如同一排的RFUJ和可以同时按下同一位置，这是因为电气连接是专门为避免将它们放在同一排而设计的。）
其他结构
以下是普通键盘的其他不太深情但通常需要的结构：
定位板
采用与按键布局和形状相对应的钢板/碳纤维板进一步固定键轴。 如果键轴是三销键轴，没有定位板就会晃动（但有些人特别喜欢这种感觉）； 如果键轴是五脚键轴，有没有定位板也没关系。 本着节省成本的原则，笔者没有做定位板（我在淘宝上问过，做一个板要100多，还不如直接买个五脚轴，省掉定位板。 ..)
键帽
不能直接按下键轴。 其次，不美观，主要是对手有刺激。 键帽是键盘的脸面，分类也越来越多。 从材质上来说，有ABS塑料，成本低，易加工，但用久了会变光滑（沾油）； 还有PBT塑料，硬度高，有颗粒感，不会上油。 从雕刻位置来看，也有正面雕刻、侧面雕刻、不雕刻、隐藏雕刻等区分。 如果PCB板上加跑马灯，还需要进一步考虑键帽的透明度。 笔者直接买了一个纯白色的键帽，没有刻字。
卫星轴
有的键帽比较大，只有下面贴的小键轴不稳定，所以加了卫星轴。 我没有使用过，所以就不详细介绍了。
02
如何让计算机相信这确实是键盘
作者对底层协议的细节不是很了解，所以这里我形而上的讲一下协议顶层的东西。
常见的键盘接口协议有两种：PS/2和HID，可以通过接口的形状大致区分。
PS/2 使用的连接器
（有没有开始怀念？）
HID 使用的连接器
（是的，就是USB接口）
PS/2是较老的协议，在HID协议出现后逐渐被取代。 如今，外接 PS2 键盘已经很少见了。 由于各种原因，只有笔记本电脑附带的键盘继续使用 PS/2 协议。 大多数外接键盘都是 HID。
那么，HID 协议是如何工作的呢？ 粗略地说，键盘上的芯片会向计算机发送一份报告描述，告诉计算机它要传输的数据报告（Report）是什么格式以及应该如何解释。 并不断向计算机发送相应格式的数据报告。
键盘设备的默认报告是一个八字节的数据字符串。 第一个字节的八位代表左/右Shift、Ctrl、Alt、GUI共八个按键的按下状态。 第三到第八个按键总共代表 6 个字节，分别存储 6 个按键码，表示当前按下的按键。 （至于哪个键码对应哪个键，HID协议中规定了）
买过机械键盘的同学应该都听说过“六键无滚”这个词，就是说最多只能同时按六个键，按多了就无法输入了通常情况下。 这是因为默认报告只能同时发送六个关键代码。
题外话
六键无滚虽然正常使用已经足够了，但在某些时候（比如两个人打拳皇）还是很不方便，所以我们希望“全键无滚”，即即使所有键都按下同时（如104台）计算机也可以全部接收。 通常有两种方法：
一种是让芯片告诉电脑这不是键盘而是N个键盘，从而向电脑发送N个报告，这样就可以同时按6N个键（结果就是当你插上键盘时，电脑会发现自己突然连接了十几个键盘……）。
另一种不太暴力的方法是操纵报告：在特定位置使用一个位来表示特定按键的按下，这样只需要 13 个字节即可表示 104 个按键的状态。 然而，为了让计算机知道哪个位对应于哪个按键，需要下载相应的驱动程序并在计算机上运行，这不像以前的方法那样即插即用。
此外，与发送键盘按下状态的 HID 协议不同，PS/2 协议发送按下和释放每个键的动作，因此不存在 HID 六键翻转限制。 读者可以自己尝试一下：按“ASDFJKL；” 笔记本电脑键盘上同时有八个键（大拇指长的读者可以加GH），八个键都可以正常输入。
基础知识已经完成（大概）了，现在就开始干吧！
03
开始制作键盘！
键盘和键帽都是现成的产品，唯一需要你自己设计的就是PCB。 由于笔者比较懒，所以选择使用现成的STM32F103C8T6开发板作为控制模块。 这样，我只需要将按钮引导到PCB上的插针孔中，然后将插针插入开发板即可。 不需要自己添加STM32F103C8T6。 芯片设计外围电路。
PCB设计与制造
当然，你可以直接使用EDA工具来绘制PCB，但是这里我们使用一些辅助工具来帮助我们完成一些繁琐的工作：
。 在这个网站上，您可以直观地设计键盘的键位和布局（布局是关键，以后重新烧录程序可以随时调整键位），并帮助您生成相应的描述布局的json文件。
作者根据个人习惯设计了关键位置。 104个全键盘键的大部分按键和鼠标功能通过三个翻页键塞进了42键键盘的40%。 由于我发现我从来不用左手按空格键，所以我把空格符放在右侧，左半个空格就成了翻页键。
。 将刚才的json文件上传到本网站即可生成对应的CAD文件。 如果您正在制作定位板，这会很有帮助。
。 将刚才的json文件上传到本网站，可以帮助你绘制电路原理图，并生成可以用EDA工具编辑的文件，这样你就不用自己画矩阵键盘连接原理图了。
使用KiCAD（AltiumDesigner当然更好，但是我没有足够的电脑空间来安装这么大的软件，所以我必须使用轻量级的开源KiCAD）打开刚刚生成的文件，并根据STM32开发板引脚位置。 引脚并连接相应的引脚
示意图，左侧是生成的矩阵键盘，右侧是根据开发板上GPIO口位置设计的排针连接。
然后将原理图转换成相应的PCB板。 经过一系列的布局和布线操作，得到如下图所示的结果。
PCB板。 记得把二极管放在背面，否则键轴会被夹住，无法完全插入PCB。
KiCAD 生成的 3D 效果预览。 由于我们不打算做外壳，所以我们在PCB背面画了丝印作为装饰。 本来想用实心图案，但发现KiCAD不支持填充的CAD文件，不得已才改成对角线填充。
PCB设计出来后，不可能自己制造，废液也无法自行处理，只能送到深圳嘉利创。 这时候你就能感受到KiCAD作为开源软件的好处了。 只要安装第三方插件，就可以一键导出嘉利创生产制造所需的所有文件（参考/toopoo/article/details/106454874）。 一周后，我收到了五块PCB，如下。
焊接STM32开发板和键轴
（同时使用室友快乐轴和室友痛苦轴）
焊接工艺就不多说了。 主要说一下我们做过的傻事：
STM32F103C8T6的HID功能需要将PA14和PA15两个引脚直接连接到板载Micro-USB端口。 一般的开发板都是这样连接的。 但我之前买的开发板是将Micro-USB口的数据连接到USB转UART芯片上，所以我必须手动连接两根线。
在设计排针布局时，我忘记了PA14和PA15应该为HID保留，而直接将它们用作普通GPIO端口。 最后只好把对应的两个排针剪掉，飞出本应连接PA14和PA15的两个接口。 连接到其他 GPIO 端口。
HID 协议要求从机上的 D+ 引脚（连接到 PA11）通过 1.5kΩ 上拉电阻上拉至 3.3V。 STM32F103C8T6中没有这个上拉电阻，所以需要手动焊接。
我在 PCB 的四个角上添加了机械孔。 我想用铜柱将一块未使用的PCB安装在键盘下方作为外壳。 原来是机械孔太小，螺丝拧不进去……（所以最后没有套管。）
编程
关于如何使用HID我就不详细说了。 如果您使用STM32开发版，只需参考配置中的步骤即可。 如果你想添加鼠标功能，也可以参考/developer/article/1652367进行配置。 作者指的是后者。
配置好报告后，检测击键的主要逻辑也非常简单：
遍历所有行和列并标记所有按下的按键
根据三个翻页功能键是否被按下来确定当前使用的按键布局。
遍历每个按下的按键，并将当前按键布局上对应位置对应的键值存入报表中
将报告发送到计算机
根据/s/7DDPovGxbz83S95lFQZC2g配置使用VSCode开发STM32的环境。 VSCode太好吃了，赞一下怀神！
完成品
虽然可以用，可惜最近太忙准备考试了，没时间做shell（这是借口，真正的原因是不会用Solidworks，懒得学） ，所以我只有这样的半成品外观。
另外，虽然把104键+鼠标放在40%的键盘上既方便又美观，但有了这个纯白色的无刻键帽，就让这款键盘特别难驯服，只能放在桌子上做装饰。 看起来像。
撰写者 | 于子涵
审稿人| 刘洋
部分图片来源于网络
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