从头开始：我如何构建开发人员的梦想键盘

已发表: 2022-03-11

2007 年 8 月的一天工作，我不禁意识到，我的常规 PC 键盘并没有为我提供尽可能多的服务。我不得不过度地在键盘的各个块之间移动我的手，每天数百甚至数千次，而且我的手彼此靠近令人不舒服。一定有更好的办法，我想。

当我想到为开发人员定制最好的键盘时，我感到无比兴奋——后来，我意识到，作为一名自由嵌入式软件开发人员，我对硬件一无所知。

当时，我忙于其他项目，但没有一天不考虑构建黑客键盘。很快我就开始把空闲时间投入到这个项目上。我设法学习了一套全新的技能，说服了我的一个朋友，杰出的机械工程师 Andras Volgyi 加入这个项目，召集了一些关键人物，并投入了足够的时间来创建工作原型。如今，终极黑客键盘已成为现实。我们每天都在进步，众筹活动的启动触手可及。

从对电子产品一无所知的软件背景，到设计和构建功能强大、适销对路的硬件设备，是一种有趣而引人入胜的体验。在本文中，我将介绍这款电子杰作的设计原理。对电子电路图有基本的了解可以帮助您跟进。

你是怎么做键盘的？

在我为这个话题投入了数千小时的生命之后，要给出一个简短的答案对我来说是一个巨大的挑战，但有一种有趣的方式可以回答这个问题。如果我们从简单的东西开始，比如 Arduino 板，然后逐渐将其打造为终极黑客键盘，会怎样？它不仅应该更容易消化，而且应该极具教育意义。因此，让我们的键盘教程之旅开始吧！

第一步：没有键的键盘

首先，让我们制作一个每秒发出一次x字符的 USB 键盘。 Arduino Micro 开发板是实现此目的的理想选择，因为它具有 ATmega32U4 微控制器 - AVR 微控制器和与 UHK 大脑相同的处理器。

对于支持 USB 的 AVR 微控制器，适用于 AVR 的轻量级 USB 框架 (LUFA) 是首选库。它使这些处理器成为打印机、MIDI 设备、键盘或几乎任何其他类型的 USB 设备的大脑。

将设备插入 USB 端口时，设备必须传输一些称为 USB 描述符的特殊数据结构。这些描述符告诉主机正在连接的设备的类型和属性，并由树结构表示。更复杂的是，一个设备不仅可以实现一种功能，而且可以实现多种功能。让我们看看 UHK 的描述符结构：

设备描述符
- 配置描述符
  - 接口描述符 0：GenericHID
    - 端点描述符
  - 接口描述符一：键盘
    - 端点描述符
  - 接口描述符2：鼠标
    - 端点描述符

大多数标准键盘只公开一个键盘接口描述符，这是有道理的。但是，作为自定义编程键盘，UHK也暴露了鼠标接口描述符，因为用户可以通过编程键盘的任意键来控制鼠标指针，所以键盘可以作为鼠标使用。 GenericHID 接口用作通信通道，用于交换键盘所有特殊功能的配置信息。您可以在此处查看 LUFA 中 UHK 的设备和配置描述符的完整实现。

现在我们已经创建了描述符，是时候每秒发送x字符了。

 uint8_t isSecondElapsed = 0; int main(void) { while (1) { _delay_us(1000); isSecondElapsed = 1; } } bool CALLBACK_HID_Device_CreateHIDReport(USB_ClassInfo_HID_Device_t* const HIDInterfaceInfo, uint8_t* const ReportID, const uint8_t ReportType, void* ReportData, uint16_t* const ReportSize) { USB_KeyboardReport_Data_t* KeyboardReport = (USB_KeyboardReport_Data_t*)ReportData; if (isSecondElapsed) { KeyboardReport->KeyCode[0] = HID_KEYBOARD_SC_X; isSecondElapsed = 0; } *ReportSize = sizeof(USB_KeyboardReport_Data_t); return false; }

USB 是一种轮询协议，这意味着主机会定期（通常每秒 125 次）查询设备，以确定是否有任何新数据要发送。相关的回调是CALLBACK_HID_Device_CreateHIDReport()函数，在这种情况下，只要isSecondElapsed变量包含1 ，它就会将x字符的扫描码发送到主机。 isSecondElapsed从主循环设置为1 ，并从回调设置为0 。

第二步：四键键盘

在这一点上，我们的键盘并不是非常有用。如果我们真的能在上面打字就好了。但是为此我们需要按键，并且按键必须排列成键盘矩阵。一个全尺寸的 104 键键盘可以有 18 行和 6 列，但我们只需一个简陋的 2x2 键盘矩阵即可启动。这是示意图：

这就是它在面包板上的样子：

假设ROW1连接到PINA0 ， ROW2连接到PINA1 ， COL1连接到PORTB0并且COL2连接到PORTB1 ，扫描代码如下所示：

 /* A single pin of the microcontroller to which a row or column is connected. */ typedef struct { volatile uint8_t *Direction; volatile uint8_t *Name; uint8_t Number; } Pin_t; /* This part of the key matrix is stored in the Flash to save SRAM space. */ typedef struct { const uint8_t ColNum; const uint8_t RowNum; const Pin_t *ColPorts; const Pin_t *RowPins; } KeyMatrixInfo_t; /* This Part of the key matrix is stored in the SRAM. */ typedef struct { const __flash KeyMatrixInfo_t *Info; uint8_t *Matrix; } KeyMatrix_t; const __flash KeyMatrixInfo_t KeyMatrix = { .ColNum = 2, .RowNum = 2, .RowPins = (Pin_t[]) { { .Direction=&DDRA, .Name=&PINA, .Number=PINA0 }, { .Direction=&DDRA, .Name=&PINA, .Number=PINA1 } }, .ColPorts = (Pin_t[]) { { .Direction=&DDRB, .Name=&PORTB, .Number=PORTB0 }, { .Direction=&DDRB, .Name=&PORTB, .Number=PORTB1 }, } }; void KeyMatrix_Scan(KeyMatrix_t *KeyMatrix) { for (uint8_t Col=0; Col<KeyMatrix->Info->ColNum; Col++) { const Pin_t *ColPort = KeyMatrix->Info->ColPorts + Col; for (uint8_t Row=0; Row<KeyMatrix->Info->RowNum; Row++) { const Pin_t *RowPin = KeyMatrix->Info->RowPins + Row; uint8_t IsKeyPressed = *RowPin->Name & 1<<RowPin->Number; KeyMatrix_SetElement(KeyMatrix, Row, Col, IsKeyPressed); } } }

代码一次扫描一列，并在该列中读取各个按键开关的状态。然后按键开关的状态被保存到一个数组中。在我们之前的CALLBACK_HID_Device_CreateHIDReport()函数中，将根据该数组的状态发送相关的扫描代码。

第三步：一个有两半的键盘

到目前为止，我们已经创建了普通键盘的开端。但在本键盘教程中，我们的目标是先进的人体工程学设计，鉴于人们有两只手，我们最好在组合中添加另一半键盘。

另一半将具有另一个键盘矩阵，其工作方式与前一个相同。令人兴奋的新事物是键盘两半之间的通信。互连电子设备的三种最流行的协议是 SPI、I ² C 和 UART。出于实际目的，我们将在这种情况下使用 UART。

根据上图，双向通信向右流过 RX，向左流过 TX。 VCC 和 GND 是传输功率所必需的。 UART 需要对等体使用相同的波特率、数据位数和停止位数。一旦双方的 UART 收发器都建立起来，通信就可以开始流动了。

目前，左键盘通过 UART 向右键盘发送一个字节的消息，代表按键或按键释放事件。右半键盘处理这些消息并相应地操纵内存中全键盘矩阵阵列的状态。这是左键盘半发送消息的方式：

 USART_SendByte(IsKeyPressed<<7 | Row*COLS_NUM + Col);

右半键盘接收消息的代码如下所示：

 void KeyboardRxCallback(void) { uint8_t Event = USART_ReceiveByte(); if (!MessageBuffer_IsFull(&KeyStateBuffer)) { MessageBuffer_Insert(&KeyStateBuffer, Event); } }

只要通过 UART 接收到一个字节，就会触发KeyboardRxCallback()中断处理程序。鉴于中断处理程序应尽快执行，接收到的消息将被放入环形缓冲区以供以后处理。环形缓冲区最终会在主循环中得到处理，键盘矩阵将根据消息进行更新。

以上是实现这一点的最简单方法，但最终协议会稍微复杂一些。必须处理多字节消息，并且必须使用 CRC-CCITT 校验和检查各个消息的完整性。

在这一点上，我们的面包板原型看起来非常令人印象深刻：

第四步：认识LED显示屏

我们与 UHK 的目标之一是让用户能够定义多个特定于应用程序的键盘映射，以进一步提高生产力。用户需要通过某种方式来了解正在使用的实际键盘映射，因此键盘中内置了一个集成的 LED 显示屏。这是一个所有 LED 都亮起的原型显示器：

LED 显示屏由 8x6 LED 矩阵实现：

每两行红色 LED 符号代表 14 段 LED 显示屏之一的段。白色 LED 符号代表另外三个状态指示灯。

为了驱动电流通过 LED 并将其点亮，对应的列设置为高电压，对应的行设置为低电压。该系统的一个有趣结果是，在任何给定时刻，只能启用一列（该列上应点亮的所有 LED 都将其相应的行设置为低电压），而其余列被禁用. 有人可能会认为该系统无法使用全套 LED，但实际上列和行更新得如此之快，以至于人眼看不到闪烁。

LED 矩阵由两个集成电路 (IC) 驱动，一个驱动其行，另一个驱动其列。驱动列的源 IC 是 PCA9634 I2C LED 驱动器：

驱动行的 LED 矩阵接收器 IC 是 TPIC6C595 功率移位寄存器：

我们来看看相关代码：

 uint8_t LedStates[LED_MATRIX_ROWS_NUM]; void LedMatrix_UpdateNextRow(bool IsKeyboardColEnabled) { TPIC6C595_Transmit(LedStates[ActiveLedMatrixRow]); PCA9634_Transmit(1 << ActiveLedMatrixRow); if (++ActiveLedMatrixRow == LED_MATRIX_ROWS_NUM) { ActiveLedMatrixRow = 0; } }

LedMatrix_UpdateNextRow()大约每毫秒调用一次，更新一行 LED 矩阵。 LedStates数组存储各个 LED 的状态，通过 UART 根据来自右半键盘的消息进行更新，与按键/按键释放事件的方式几乎相同。

大局

到目前为止，我们已经逐渐为我们的自定义黑客键盘构建了所有必要的组件，是时候看看大局了。键盘的内部就像一个迷你计算机网络：许多节点相互连接。不同之处在于节点之间的距离不是以米或公里为单位，而是以厘米为单位，并且节点不是成熟的计算机，而是微型集成电路。

到目前为止，关于开发者键盘的设备端细节已经说了很多，但关于主机端软件 UHK Agent 的说法并不多。原因是，与硬件和固件不同，Agent 在这一点上非常初级。但是，代理的高级架构已经确定，我想分享一下。

UHK Agent 是一个配置器应用程序，通过它可以定制键盘以满足用户的需求。尽管是一个富客户端，但 Agent 使用 Web 技术并在 node-webkit 平台之上运行。

代理通过发送特殊的、特定于设备的 USB 控制请求并处理其结果，使用 node-usb 库与键盘进行通信。它使用 Express.js 公开 REST API 以供第三方应用程序使用。它还使用 Angular.js 来提供简洁的用户界面。

 var enumerationModes = { 'keyboard' : 0, 'bootloader-right' : 1, 'bootloader-left' : 2 }; function sendReenumerateCommand(enumerationMode, callback) { var AGENT_COMMAND_REENUMERATE = 0; sendAgentCommand(AGENT_COMMAND_REENUMERATE, enumerationMode, callback); } function sendAgentCommand(command, arg, callback) { setReport(new Buffer([command, arg]), callback); } function setReport(message, callback) { device.controlTransfer( 0x21, // bmRequestType (constant for this control request) 0x09, // bmRequest (constant for this control request) 0, // wValue (MSB is report type, LSB is report number) interfaceNumber, // wIndex (interface number) message, // message to be sent callback ); }

每个命令都有一个 8 位标识符和一组特定于命令的参数。目前，只实现了重新枚举命令。 sendReenumerateCommand()使设备重新枚举为左引导加载程序或右引导加载程序，用于升级固件或作为键盘设备。

有人可能不知道这款软件可以实现的高级功能，所以我仅举几例：代理将能够可视化各个按键的磨损情况并通知用户他们的预期寿命，因此用户可以为即将进行的维修购买几个新的钥匙开关。代理还将提供一个用户界面，用于配置黑客键盘的各种键盘映射和图层。还可以设置鼠标指针的速度和加速度，以及许多其他超级功能。天空是极限。