鍵盤入坑指南 - 韌體篇

雖然標題是寫入坑指南，不過這篇會更專注在鍵盤的運作原理跟電路。

偵測按下的鍵位

上一篇提到，鍵盤其實是個多個開關組成的電路，我們可以用微控制器 GPIO 接腳來偵測開關是否被按下。具體的做法是先將開關的一端接到電源，另一端接地。當按下按鍵時電路導通，微控制器就可以感知到這個變化，進而送出對應的信號。實際上是怎樣的信號，我們會在後面的章節提到。

不過這樣做有個缺點，就是每個按鍵都需要一個接腳，以一把有 104 個鍵位的鍵盤來說，就需要微控制器有 104 個接腳。通常微控制器並不會有那麼多接腳可以用，又或者有些接腳需要用來當作其他用途。

掃描與鍵盤矩陣

在實務上我們會用矩陣的連接方式來連接鍵盤的電路。每個矩陣都會接到微控制器的接腳，這樣一來假設按鍵要 60 個，6x10 的矩陣只要 16 個接腳即可。

test1

我們可以分別將 R1、R2、R3 分別給予高電位，再分別讀取 C1、C2、C3 的電位，就可以知道哪個按鍵被按下了。舉例當下圖的按鍵被按下時，C1 可以讀取到現在的電位是高電位，就能偵測到是哪個按鍵被按下。

test3

這邊的順序是：

將 R1 設定為高電位
- 讀取 C1
- 讀取 C2
- 讀取 C3
將 R2 設定為高電位
- 讀取 C1
- 讀取 C2
- 讀取 C3
將 R3 設定為高電位
- 讀取 C1
- 讀取 C2
- 讀取 C3

理想上當然是讓矩陣 Row 與 Col 的數量一樣，不過在實務上不一定會這樣做。一方面是因為微控制器的接腳通常是足夠的，另外一方面是如果強制讓兩個數量一樣，有時候 layout 會很難拉線。例如鍵盤就是一個橫列比較多，但是直列比較少。

這邊會有一個疑問是，那如果 R1 跟 R2 裡的按鍵同時按下的話會不會偵測不到？因為不是同時偵測而是輪流偵測。這點不需要擔心，一般的微控制器都至少有 16MHz 以上，偵測的速度絕對比人體極限還要高。微控制器會先記住按下的狀態，當再次讀取時發現與先前的狀態不同時，就會再送出放開的訊號。

Ghosting

test2

剛剛的電路有個問題，如果 R3 也有開關按下，那麼一部分的電流會從這裡跑過去導致誤判。解決方式是加入二極體。二極體具有單向導通的功能，電流只能夠從一個方向流通，進而避免 Ghosting。

HID（Human Interface Device）

接下來就來到將訊號傳給電腦的邏輯了。早期的鍵盤是使用 PS/2 連接器，不過現在最常見的則是 USB 與藍芽。

HID 透過規範各種常見的輸入裝置協定，像是鍵盤、滑鼠、控制器等等，讓以往需要額外撰寫驅動程式的成本簡化成只要符合 HID 符合的規格，不管什麼裝置都不需要驅動程式就可以執行。

HID 包含了輸入報告、描述子跟輸出報告。通常描述子可以用來描述這個裝置是什麼，像是用途、名稱、廠商、 ID 等等。電腦讀取到這些報告之後就知道該用什麼方式處理它。

USB

一般來說微控制器裡頭都會有 USB 的功能，可以幫你用 USB 的格式來傳輸資料。

HID 也一樣，一般來說可以透過 USB 或是藍芽來傳輸。不過這邊算是工程師會比較在意的技術細節，USB 分成兩個，host 跟 device。

由於像滑鼠、鍵盤這類型的輸入裝置，跟 CPU 比起來通常速度慢很多，所以如果讓 CPU 去等這些裝置的輸入，會非常浪費效能。實際上的做法是，電腦的 USB 控制器（host）會持續地像 device 端 pulling 資料，buffer 有資料時再去呼叫 CPU 中斷。因此在鍵盤端這邊，只會負責一直丟資料，剩下的都是由 host 端完成。

通常 HID 的格式要怎麼寫，在實際操作當中都是由函式庫幫你處理好了，所以只要專注在將對應的按鍵 mapping 到對應的鍵即可。

這邊放一個 Raspberry Pi pico 的例子：

static void send_hid_report(uint8_t report_id, uint32_t btn)
{
  // skip if hid is not ready yet
  if ( !tud_hid_ready() ) return;

  switch(report_id)
  {
    case REPORT_ID_KEYBOARD:
    {
      // use to avoid send multiple consecutive zero report for keyboard
      static bool has_keyboard_key = false;

      if ( btn )
      {
        uint8_t keycode[6] = { 0 };
        keycode[0] = HID_KEY_A;

        tud_hid_keyboard_report(REPORT_ID_KEYBOARD, 0, keycode);
        has_keyboard_key = true;
      }
      ...
}

這邊的例子只有一個按鈕，並且永遠都是 A 鍵。不過從程式碼我們可以大概得知要怎麼寫。程式碼首先先宣告了一個陣列 keycode。長度 6 代表同時可以傳送 6 個按鍵，而這邊只用了 keycode[0]，然後呼叫 tud_hid_keyboard_report 將 HID report 送出。

電路板設計與佈線

我對電路板設計的涉略不深，這邊主要是想要說明只要有基本知識，任何人都可以做出電路板來。在電路板設計中，有個非常著名的開源軟體 Kicad，完全免費。

透過這個軟體，你可以自己設計想要的電路，並且它也支援 PCB layout 佈線。你可以將你設計的電路放到電路板拉線。

全部都弄好了之後，可以將電路圖（有專門的檔案格式）輸出後上傳到 PCB 印刷廠的網站，大概過幾個禮拜就能收到成品。比較常見的便宜廠商有 JLCPCB 與 PCBWay。

QMK

在客製化鍵盤的圈子裡，有些玩家對高度的客製化相當執著，例如 LED 要怎麼亮、配列要怎麼改、鍵盤上要有顆旋鈕，甚至是鍵盤上也要放個 LCD 螢幕。大家都有自己一套標準，所以除了硬體方面是各種工藝展現外，連韌體也講求高度客製化。

（圖取自於 Zoom75 官網）

Feature Case

理論上只要有微控制器和電路就可以寫出鍵盤韌體，然而如果每次改鍵盤配置都要修改程式碼、再加上如果微控制器更換就要重寫的話也很麻煩。因此有些玩家就自己寫了一個可以高度客製化配置的韌體，只要定義好鍵盤相關設定，就可以自動生出對應的韌體，一行程式碼都不用寫。

目前在鍵盤圈最有名的就是 QMK，它是由 tmk 衍伸出來的開源韌體。在鍵盤圈相當常見，甚至像 Keychron 也支援 QMK 設定。

剛剛提到的功能，QMK 幾乎都有。如何定義鍵位、巨集、LCD、LED 控制、藍芽、Joystick，鍵盤甚至是 MIDI，任何你想得到的功能 QMK 裡頭幾乎都有。而且支援的客製化鍵盤很多，例如我現在用的 Zoom65 就可以在這裡找到它的定義檔案。

除此之外，蠻令我驚訝的是現在還有支援 Web USB，也就是直接在網路上去修改鍵位，修改完之後直接調整韌體的設定。

詳細原理我還沒研究過，不過我猜應該是有對應的程式碼實作，透過 Web USB 直接將資料傳給鍵盤的韌體，有興趣的可以參考 VIA。

結語

現在很多電路板、外殼都有開源的模型跟電路設計可以參考，想要自己「從頭」做一把雖然還是有難度，但跟以前比起來算是容易很多。不過光是了解背後的過程，就會覺得做一把鍵盤也不是那麼容易。