從頭開始：我如何構建開發人員的夢想鍵盤

已發表: 2022-03-11

2007 年 8 月的一天工作，我不禁意識到，我的常規 PC 鍵盤並沒有為我提供盡可能多的服務。我不得不過度地在鍵盤的各個塊之間移動我的手，每天數百甚至數千次，而且我的手彼此靠近令人不舒服。一定有更好的辦法，我想。

當我想到為開發人員定制最好的鍵盤時，我感到無比興奮——後來，我意識到，作為一名自由嵌入式軟件開發人員，我對硬件一無所知。

當時，我忙於其他項目，但沒有一天不考慮構建黑客鍵盤。很快我就開始把空閒時間投入到這個項目上。我設法學習了一套全新的技能，說服了我的一個朋友，傑出的機械工程師 Andras Volgyi 加入這個項目，召集了一些關鍵人物，並投入了足夠的時間來創建工作原型。如今，終極黑客鍵盤已成為現實。我們每天都在進步，眾籌活動的啟動觸手可及。

從對電子產品一無所知的軟件背景，到設計和構建功能強大、適銷對路的硬件設備，是一種有趣而引人入勝的體驗。在本文中，我將介紹這款電子傑作的設計原理。對電子電路圖有基本的了解可以幫助您跟進。

你是怎麼做鍵盤的？

在我為這個話題投入了數千小時的生命之後，要給出一個簡短的答案對我來說是一個巨大的挑戰，但有一種有趣的方式可以回答這個問題。如果我們從簡單的東西開始，比如 Arduino 板，然後逐漸將其打造為終極黑客鍵盤，會怎樣？它不僅應該更容易消化，而且應該極具教育意義。因此，讓我們的鍵盤教程之旅開始吧！

第一步：沒有鍵的鍵盤

首先，讓我們製作一個每秒發出一次x字符的 USB 鍵盤。 Arduino Micro 開發板是實現此目的的理想選擇，因為它具有 ATmega32U4 微控制器 - AVR 微控制器和與 UHK 大腦相同的處理器。

對於支持 USB 的 AVR 微控制器，適用於 AVR 的輕量級 USB 框架 (LUFA) 是首選庫。它使這些處理器成為打印機、MIDI 設備、鍵盤或幾乎任何其他類型的 USB 設備的大腦。

將設備插入 USB 端口時，設備必須傳輸一些稱為 USB 描述符的特殊數據結構。這些描述符告訴主機正在連接的設備的類型和屬性，並由樹結構表示。更複雜的是，一個設備不僅可以實現一種功能，而且可以實現多種功能。讓我們看看 UHK 的描述符結構：

設備描述符
- 配置描述符
  - 接口描述符 0：GenericHID
    - 端點描述符
  - 接口描述符一：鍵盤
    - 端點描述符
  - 接口描述符2：鼠標
    - 端點描述符

大多數標準鍵盤隻公開一個鍵盤接口描述符，這是有道理的。但是，作為自定義編程鍵盤，UHK也暴露了鼠標接口描述符，因為用戶可以通過編程鍵盤的任意鍵來控制鼠標指針，所以鍵盤可以作為鼠標使用。 GenericHID 接口用作通信通道，用於交換鍵盤所有特殊功能的配置信息。您可以在此處查看 LUFA 中 UHK 的設備和配置描述符的完整實現。

現在我們已經創建了描述符，是時候每秒發送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 是一種輪詢協議，這意味著主機會定期（通常每秒 125 次）查詢設備，以確定是否有任何新數據要發送。相關的回調是CALLBACK_HID_Device_CreateHIDReport()函數，在這種情況下，只要isSecondElapsed變量包含1 ，它就會將x字符的掃描碼發送到主機。 isSecondElapsed從主循環設置為1 ，並從回調設置為0 。

第二步：四鍵鍵盤

在這一點上，我們的鍵盤並不是非常有用。如果我們真的能在上面打字就好了。但是為此我們需要按鍵，並且按鍵必須排列成鍵盤矩陣。一個全尺寸的 104 鍵鍵盤可以有 18 行和 6 列，但我們只需一個簡陋的 2x2 鍵盤矩陣即可啟動。這是示意圖：

這就是它在麵包板上的樣子：

假設ROW1連接到PINA0 ， ROW2連接到PINA1 ， COL1連接到PORTB0並且COL2連接到PORTB1 ，掃描代碼如下所示：

 /* 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); } } }

代碼一次掃描一列，並在該列中讀取各個按鍵開關的狀態。然後按鍵開關的狀態被保存到一個數組中。在我們之前的CALLBACK_HID_Device_CreateHIDReport()函數中，將根據該數組的狀態發送相關的掃描代碼。

第三步：一個有兩半的鍵盤

到目前為止，我們已經創建了普通鍵盤的開端。但在本鍵盤教程中，我們的目標是先進的人體工程學設計，鑑於人們有兩隻手，我們最好在組合中添加另一半鍵盤。

另一半將具有另一個鍵盤矩陣，其工作方式與前一個相同。令人興奮的新事物是鍵盤兩半之間的通信。互連電子設備的三種最流行的協議是 SPI、I ² C 和 UART。出於實際目的，我們將在這種情況下使用 UART。

根據上圖，雙向通信向右流過 RX，向左流過 TX。 VCC 和 GND 是傳輸功率所必需的。 UART 需要對等體使用相同的波特率、數據位數和停止位數。一旦雙方的 UART 收發器都建立起來，通信就可以開始流動了。

目前，左鍵盤通過 UART 向右鍵盤發送一個字節的消息，代表按鍵或按鍵釋放事件。右半鍵盤處理這些消息並相應地操縱內存中全鍵盤矩陣陣列的狀態。這是左鍵盤半發送消息的方式：

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

右半鍵盤接收消息的代碼如下所示：

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

只要通過 UART 接收到一個字節，就會觸發KeyboardRxCallback()中斷處理程序。鑑於中斷處理程序應盡快執行，接收到的消息將被放入環形緩衝區以供以後處理。環形緩衝區最終會在主循環中得到處理，鍵盤矩陣將根據消息進行更新。

以上是實現這一點的最簡單方法，但最終協議會稍微複雜一些。必須處理多字節消息，並且必須使用 CRC-CCITT 校驗和檢查各個消息的完整性。

在這一點上，我們的麵包板原型看起來非常令人印象深刻：

第四步：認識LED顯示屏

我們與 UHK 的目標之一是讓用戶能夠定義多個特定於應用程序的鍵盤映射，以進一步提高生產力。用戶需要通過某種方式來了解正在使用的實際鍵盤映射，因此鍵盤中內置了一個集成的 LED 顯示屏。這是一個所有 LED 都亮起的原型顯示器：

LED 顯示屏由 8x6 LED 矩陣實現：

每兩行紅色 LED 符號代表 14 段 LED 顯示屏之一的段。白色 LED 符號代表另外三個狀態指示燈。

為了驅動電流通過 LED 並將其點亮，對應的列設置為高電壓，對應的行設置為低電壓。該系統的一個有趣結果是，在任何給定時刻，只能啟用一列（該列上應點亮的所有 LED 都將其相應的行設置為低電壓），而其餘列被禁用. 有人可能會認為該系統無法使用全套 LED，但實際上列和行更新得如此之快，以至於人眼看不到閃爍。

LED 矩陣由兩個集成電路 (IC) 驅動，一個驅動其行，另一個驅動其列。驅動列的源 IC 是 PCA9634 I2C LED 驅動器：

驅動行的 LED 矩陣接收器 IC 是 TPIC6C595 功率移位寄存器：

我們來看看相關代碼：

 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()大約每毫秒調用一次，更新一行 LED 矩陣。 LedStates數組存儲各個 LED 的狀態，通過 UART 根據來自右半鍵盤的消息進行更新，與按鍵/按鍵釋放事件的方式幾乎相同。

大局

到目前為止，我們已經逐漸為我們的自定義黑客鍵盤構建了所有必要的組件，是時候看看大局了。鍵盤的內部就像一個迷你計算機網絡：許多節點相互連接。不同之處在於節點之間的距離不是以米或公里為單位，而是以厘米為單位，並且節點不是成熟的計算機，而是微型集成電路。

到目前為止，關於開發者鍵盤的設備端細節已經說了很多，但關於主機端軟件 UHK Agent 的說法並不多。原因是，與硬件和固件不同，Agent 在這一點上非常初級。但是，代理的高級架構已經確定，我想分享一下。

UHK Agent 是一個配置器應用程序，通過它可以定制鍵盤以滿足用戶的需求。儘管是一個富客戶端，但 Agent 使用 Web 技術並在 node-webkit 平台之上運行。

代理通過發送特殊的、特定於設備的 USB 控制請求並處理其結果，使用 node-usb 庫與鍵盤進行通信。它使用 Express.js 公開 REST API 以供第三方應用程序使用。它還使用 Angular.js 來提供簡潔的用戶界面。

 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 ); }

每個命令都有一個 8 位標識符和一組特定於命令的參數。目前，只實現了重新枚舉命令。 sendReenumerateCommand()使設備重新枚舉為左引導加載程序或右引導加載程序，用於升級固件或作為鍵盤設備。

有人可能不知道這款軟件可以實現的高級功能，所以我僅舉幾例：代理將能夠可視化各個按鍵的磨損情況並通知用戶他們的預期壽命，因此用戶可以為即將進行的維修購買幾個新的鑰匙開關。代理還將提供一個用戶界面，用於配置黑客鍵盤的各種鍵盤映射和圖層。還可以設置鼠標指針的速度和加速度，以及許多其他超級功能。天空是極限。