基于ATmega32U4的新型客制化鍵盤設(shè)計

楊宸暢 王鈺

（南京師范大學泰州學院，江蘇泰州 225300）

0 引言

19世紀誕生了打字機，這便是現(xiàn)代電腦鍵盤的雛形，受此影響，現(xiàn)代鍵盤的字符排序也是和打字機一樣的QWERTY 排序。對于不同的鍵盤來說，最大的區(qū)別便是鍵盤的配列。鍵盤配列指的是鍵盤的字符排列布局，即鍵盤的按鍵數(shù)量個數(shù)和所提供的功能數(shù)。不同人群需要的按鍵數(shù)及功能是不同的，近幾年來，鍵盤市場迎來了客制化的熱潮，并有了取代傳統(tǒng)高端鍵盤的趨勢。客制化鍵盤即從用戶角度出發(fā)，根據(jù)用戶的需求進行獨特的個性化定制，對標準化工業(yè)產(chǎn)品進行功能增減、材質(zhì)或結(jié)構(gòu)更換，設(shè)計適配個人使用習慣的機械鍵盤。

1 軟件設(shè)計

使用Keyboard Firmware Builder（KFB）、Keyboard Layout Editor（KLE）等開源軟件可以生成滿足人們需求的配列。鍵盤配列一般用百分數(shù)表示，104鍵位為全尺寸（即100%）鍵盤，百分數(shù)代表了按鍵數(shù)量和功能占比。大部分辦公鍵盤都是104 鍵（或108 鍵）的100%（或105%）尺寸的鍵盤，而對于一些特殊的行業(yè)或鍵盤愛好者來說會選擇80%（84鍵或87鍵）配列的鍵盤，或者是60%、65% 配列的鍵盤，前者去掉了小鍵盤，后者去掉了小鍵盤以及功能區(qū)。還有一些更加追求便攜性的用戶會去選擇40% 的鍵盤，鍵盤上僅有字母區(qū)和基本的幾個功能鍵。40% 鍵盤多見于國外用戶，國內(nèi)并不常見；而60% 鍵盤則在國內(nèi)外都有著很大的用戶數(shù)量，這一區(qū)別主要是因為中文輸入必須要求數(shù)字鍵的配合；50% 鍵盤則同時兼顧了數(shù)字與便攜性。雖然這三款配列都可以通過修改鍵位和設(shè)置組合鍵來輸出字符，但是越精簡的鍵盤配列所需要設(shè)置的額外組合鍵位就越多，這無疑增加了使用鍵盤前的學習成本。

圖1的調(diào)查問卷顯示，64.3% 的人群更多是使用左手大拇指來輸入空格，7.1% 是右手，而14.3% 的人群是雙手交替使用。可以看出使用左手的人占了大多數(shù)，所以設(shè)計時將長空格分裂成兩個短空格，左空格保持了原有的空格功能，而右空格可以根據(jù)不同使用情況設(shè)置為切層鍵或宏或是其他功能鍵。此鍵盤根據(jù)需要可設(shè)置1～2個FN 功能鍵，也可與字母區(qū)鍵位組合設(shè)置為其他功能鍵或錄制為宏，用來實現(xiàn)個性化功能。應(yīng)用此功能，可以使鍵盤“一鍵多用”，在節(jié)省空間的同時也增加了新功能[1]。

圖1 空格使用習慣統(tǒng)計柱形圖

以40% 與60% 配列鍵盤為基礎(chǔ)對兩者優(yōu)缺點進行了對比與取舍，設(shè)計出了全新的50% 配列，一共有53個鍵位，其鍵盤配列圖如圖2所示，包括了常用功能鍵、字母區(qū)、數(shù)字鍵，并且支持組合鍵功能。利用配列代碼可以在KLE與KFB 開源軟件上編譯生成并根據(jù)實際情況修改鍵盤的固件，使用EDA 軟件繪制鍵盤PCB 原理圖。利用KFB 的鍵盤固件可以將某一鍵改成任何基礎(chǔ)鍵、組合鍵，但在實際使用中需要使用qmk-toolbox將重新修改后編譯完成的固件配列文件再次燒錄進芯片，以新文件覆蓋舊文件的方式實現(xiàn)鍵盤原鍵值配置的修改，操作不夠便利，且對于一般用戶來說有一定的門檻。

圖2 機械鍵盤配列圖

而VIA 軟件可以省略這一過程，只需要將鍵盤連接電腦，打開軟件就可以實現(xiàn)修改鍵位、錄制宏等功能，可以用更少更簡單的步驟實現(xiàn)同樣的功能。因此，為了良好的用戶體驗，此鍵盤提供了適配VIA 軟件的鍵盤固件文件，VIA 軟件在識別到鍵盤后會顯示鍵盤的基礎(chǔ)信息，如名稱、矩陣信息、配列設(shè)置以及修改功能，如圖3所示。

圖3 機械鍵盤VIA 基礎(chǔ)設(shè)置圖

2 硬件構(gòu)成

本方案使用的芯片為A Tmega32U 4-AU。A Tmega32作為高性能、低功耗的8位CMOS微控制器，內(nèi)嵌了系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash、8路10位ADC 和26個可編程的I/O 口，每個可編程的I/O 口上都有可單獨設(shè)置為輸入、輸出的上拉電阻等，為方便后期焊接選用了針腳外露的AU款。主控電路及針腳分配如圖4所示。

圖4 主控電路圖

系統(tǒng)采用的是16 MHz的5032無源晶振，兩端分別連接在XTAL1、XTAL2，在晶振X1旁邊連接兩個22 pF的電容，接地[2]。在RESET針腳上連接開關(guān)作為鍵盤鍵值的重置鍵，便于后期重新燒錄固件文件調(diào)整鍵盤鍵位。

繪制主控電容、type-c接口及其他所需電路后，用x連接在未使用針腳尾部，避免系統(tǒng)報錯。

3 PCB 設(shè)計

根據(jù)鍵盤矩陣圖排列軸座，共5行12列。在鍵盤矩陣行列電路的交叉點上設(shè)置鍵盤按鍵，設(shè)計時采用矩陣掃描鍵盤的方案，軸座選用國產(chǎn)無燈凱華軸座。

鍵盤PCB 原理圖如圖5所示，選用I/O 接口中的部分端口作為行掃描輸入與列掃描輸出，令端口的輸入和輸出掃描關(guān)系在使用過程中不發(fā)生改變[3]。鍵盤掃描程序按順序使列掃描輸出端口輸出低電平，從行掃描輸入端口讀取按鍵狀態(tài)來確定被按下按鍵位置[4]。

圖5 機械鍵盤PCB原理圖

鍵盤掃描程序如下：

（1）令PB 4輸出低電平后，再從其他行掃描輸入端口讀取按鍵狀態(tài)，確定按下鍵位是否在第一列；

（2）如未識別到按下鍵位，則令PB 5輸出低電平的同時以與步驟（1）相同的操作確定按下鍵位是否在第二列，以此類推，最終確定被按下的鍵位[5]。

在掃描過程中，一旦識別到有鍵盤按鍵被按下，便可返回鍵值同時退出掃描程序。所有鍵盤按鍵處設(shè)置的鍵盤軸開關(guān)列輸出位置均使用二極管與單片機內(nèi)的針腳電路相連串接，達到限制電流信號的流向的目的，額外設(shè)置的二極管可以使按下某個按鍵時，與該按鍵相接的I/O 口呈現(xiàn)高電平的同時不影響其他按鍵電路，即與該按鍵按鍵電路不相接的I/O 口仍然是低電平，防止產(chǎn)生某一個按鍵被按下時所有I/O 口都呈現(xiàn)高電平，導致主控讀取錯誤信息[6]。

4 外觀設(shè)計

該鍵盤配列較為新穎，在常見的鍵盤結(jié)構(gòu)中，綜合成本與便攜性考慮，選用了亞克力堆疊的三明治結(jié)構(gòu)，如圖6所示。該結(jié)構(gòu)利用上蓋和底殼將定位板夾在中間，并使用螺絲進行固定。外殼材質(zhì)采用亞克力既能節(jié)約成本又可以適配多種個性化配列，設(shè)計簡單，材質(zhì)輕便，易于攜帶。

圖6 亞克力堆疊鍵盤結(jié)構(gòu)示意圖

5 結(jié)語

本設(shè)計對個人習慣、所需功能、實際使用情況等需求進行調(diào)查分析與測試，從實際出發(fā)，對比了多款不同特色配列的傳統(tǒng)鍵盤優(yōu)缺點，并以此為基礎(chǔ)，取長補短，以滿足各種需求，最終設(shè)計出了一款全新的50% 配列機械鍵盤。同時，對鍵盤各項參數(shù)進行了實際測試，使用手感符合預(yù)期，適配軟件運行正常，外殼結(jié)實牢固，可靠性強。