蘇靖楓，賀靖康

(河南城建學(xué)院計算機科學(xué)與工程系，河南平頂山467036)

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展和人們對便攜體驗更高的要求，筆記本電腦、平板電腦、智能手機等數(shù)碼產(chǎn)品如洪水般涌進(jìn)人們的生活，這些產(chǎn)品逐漸放棄傳統(tǒng)的物理鍵盤，轉(zhuǎn)而用精簡的小鍵盤、窄小的QWERTY鍵盤甚至虛擬鍵盤。但是當(dāng)文字錄入等操作用時較長時，這些鍵盤設(shè)計就會顯得力不從心，影響工作效率[1]。這時人們更希望有一部標(biāo)準(zhǔn)的實體鍵盤進(jìn)行操作，這樣的鍵盤要輕便、易于攜帶并能夠擺脫線纜的束縛，與數(shù)碼產(chǎn)品組合使用時要實用、靈活和美觀。

本文以鍵盤的三段式折疊和數(shù)字鍵盤區(qū)可分離作為基本的外觀設(shè)計，采用BCM2042芯片作為鍵盤主控芯片，設(shè)計了藍(lán)牙鍵盤的主要電路、布局結(jié)構(gòu)以及特殊的使用功能，實現(xiàn)了鍵盤的三段可折疊功能和無線傳輸功能，并探索了藍(lán)牙鍵盤可以拓展的功能。

1 鍵盤的主控芯片

鍵盤的主控芯片采用的是Broadcom公司生產(chǎn)的一款適用于藍(lán)牙鍵盤與鼠標(biāo)的BCM2042芯片。該芯片主要由連接鍵盤按鍵掃描陣列的直接接口、光學(xué)鼠標(biāo)邏輯、板上穩(wěn)壓器以及低功率模塊等構(gòu)成，采用了單芯片配置和符合藍(lán)牙人性化接口設(shè)備(HID)規(guī)范的內(nèi)置固件，具有降低干擾的可調(diào)跳頻技術(shù)、高性能藍(lán)牙與基帶技術(shù)和可有效延長電池壽命的快速連接技術(shù)。BCM2042的主要功能模塊如圖1所示。

2 鍵盤的整體設(shè)計

2.1 外觀設(shè)計

傳統(tǒng)鍵盤的最右端是5排的數(shù)字鍵盤區(qū)，可方便地進(jìn)行大量數(shù)字的錄入和計算作業(yè)，然而主鍵盤區(qū)上的數(shù)字鍵，完全可以滿足大部分人的日常使用[3]。本文采用分離式鍵盤的設(shè)計思想，即主鍵盤區(qū)和數(shù)字鍵盤區(qū)相分離，分離后的數(shù)字鍵盤區(qū)可以通過端口與主鍵盤區(qū)連接，既能縮短鍵盤的長度，又能滿足有大量數(shù)字錄入的需求。

為了進(jìn)一步減小鍵盤的體積，主鍵盤區(qū)省去傳統(tǒng)鍵盤頂端的“ESC”和“F1-F12”等功能鍵，可使寬度減少約1/6。主鍵盤區(qū)增加了一個Fn鍵，此鍵可與主鍵盤區(qū)的“0-9”、“-”和“=”等12個鍵組合，實現(xiàn)傳統(tǒng)鍵盤上“F1-F12”鍵的按鍵功能。鍵盤的整體布局如圖2所示。

圖1 BCM2042功能模塊

圖2 鍵盤的整體布局

圖3 “POWER/ESC”鍵的位置設(shè)計

2.2 主鍵盤區(qū)三段式折疊設(shè)計

為了實現(xiàn)鍵盤外形的小巧、輕便，滿足便攜式產(chǎn)品的需求，將主鍵盤區(qū)分為三段，采用三段式折疊設(shè)計方案。為了降低折疊后的厚度同時兼顧使用感受，主鍵盤區(qū)采用“X架構(gòu)”，各側(cè)面三維圖如圖4所示?！癤架構(gòu)”運用兩組平衡四連桿機構(gòu)，以強迫運動方式運動，讓使用者無論是按觸鍵帽中心還是四個角落時，都能感受到順暢的手感[4]。“X架構(gòu)”獨有“三段式”觸感，提高了敲擊的舒適性。

圖4 主鍵盤區(qū)各側(cè)面的三維圖

為了使折疊后的鍵盤整體厚度盡可能小，在制作電路板時，將鍵盤折疊處的電路連線集成束，并可伸縮10 mm左右。與傳統(tǒng)的使用轉(zhuǎn)軸的折疊方案相比，這種方案不但簡單易行，而且可以使鍵盤折疊后幾乎不增加額外的厚度，其厚度大約為33 mm(僅主鍵盤區(qū))。

2.3 軟件設(shè)計

鍵盤主控芯片BCM2042集成了8051微處理器，根據(jù)8051微處理器的功能特性，可以實現(xiàn)如下基本功能：初始化藍(lán)牙芯片、鍵盤掃描、識別鼠標(biāo)運動方向、鼠標(biāo)脈沖計數(shù)、去抖動、鍵盤鼠標(biāo)數(shù)據(jù)編碼、鍵盤鼠標(biāo)數(shù)據(jù)發(fā)送等。這些基本的功能可由C51編譯器開發(fā)，程序流程如圖4所示。

圖4 鍵盤基本功能程序流程

對無線設(shè)備來講，電池的續(xù)航能力是一項非常重要的性能指標(biāo)，為了降低電能損耗，在電路設(shè)計中只用一個LED燈來實現(xiàn)鍵盤不同狀態(tài)的顯示。根據(jù)設(shè)計的要求，實現(xiàn)了如下功能：

(1)“POWER/ESC”鍵的開關(guān)功能，開機長按2 s左右，LED燈閃爍3次，每次間隔約0.5 s。關(guān)機長按3 s左右，LED燈閃爍2次每次間隔約1 s，其中的主要代碼如下。

sbit P10=P1^0;//LED

sbit key=P1^2;//開關(guān)，外部I/O接口

uchar time_count=0;//間隔時間計數(shù)變量

uchar times=0;//LED燈閃爍次數(shù)

//定時器0中斷處理子程序

void Time0()//interrupt 1 using 0

{

TH0=0xdc;

TL0=0x00;//設(shè)定時值為10 ms

time_count++;//計數(shù)加1

}

//開機判斷

bool key_on()

{

if(key==0)//0表示“POWER/ESC“鍵

{uint i;

for(i=1;i＜=200;i++)time_count++;//開機長按2 s

if(key==0)return true;else return false;}

}

//關(guān)機判斷

bool key_off()

{

if(key==0)

{uint i;

for(i=1;i＜=300;i++)time_count++;//關(guān)機長按3 s

if(key==0)return true;else return false;}

}

//關(guān)機判斷主循環(huán)程序

while(1)

{

if(key_on())//開機情況

{if(times＞=3)p1=0x00;//LED長滅

if(time_count==50)//0.5 s時間間隔

{P10=!P10;//IO口取反，即LED閃爍燈變化

times++;}

}

if(key_off())//關(guān)機情況

{if(times＞=2)p1=0x00;//LED長滅

if(time_count==100)//1 s時間間隔

{P10=!P10;//IO口取反，即LED燈閃爍變化

times++;}

}

}

(2)數(shù)字鍵盤區(qū)連上主鍵盤后，LED燈常亮約半分鐘，斷開后LED燈不反應(yīng)，主要代碼如下。

while(key==0)

{

if(times＞=3000)//LED亮半分鐘

{p1=0x00;}//LED長滅

p1=0xff;

time_count++;

}

2.4 矩陣電路設(shè)計

BCM2042芯片集成了鍵盤掃描接口，負(fù)責(zé)處理與按鍵有關(guān)的陣列信息，但芯片需要外接晶振、天線等電子元件才可以正常工作。ZBA公司的BT22K-2042藍(lán)牙模塊基于BCM2042芯片設(shè)計，容易實現(xiàn)該芯片的所有功能，便于直接對鍵盤電路和功能進(jìn)行設(shè)計，省去了焊接和微帶天線設(shè)計的麻煩。按照BT22K-2042藍(lán)牙模塊的管腳圖，設(shè)計了藍(lán)牙模塊與鍵盤矩陣的連接(見圖5)。數(shù)字鍵盤分離后，通過將主鍵盤區(qū)(A區(qū))行列線與數(shù)字鍵盤區(qū)(B區(qū))行列線對應(yīng)連接，實現(xiàn)主鍵盤與數(shù)字鍵盤的連接，再加入電源控制、主控開關(guān)、LED指示燈等電路模塊即實現(xiàn)了傳統(tǒng)鍵盤的一般功能。

圖5 鍵盤矩陣與按鍵的功能對應(yīng)

3 拓展功能探索

為了進(jìn)一步增強鍵盤的功能，提出以下拓展方案：

(1)充電模塊設(shè)計

選用BCM2042芯片雖然可以降低使用功率，延長電池使用壽命，但是頻繁更換電池仍然不方便。如果鍵盤使用鋰電池并且在電路設(shè)計部分加入鋰電池的充電模塊，便可以長時間使用鍵盤，免去頻繁更換電池的麻煩。

(2)跨平臺設(shè)計

目前智能手機均有藍(lán)牙模塊，一般支持外接藍(lán)牙HID設(shè)備，因此實現(xiàn)鍵盤的跨平臺功能將會使當(dāng)前主流的手機操作更加方便[5]。研究主流的計算機操作系統(tǒng)和移動手機的智能操作系統(tǒng)，自主研發(fā)藍(lán)牙驅(qū)動或支持軟件，實現(xiàn)鍵盤的跨平臺功能，滿足各種移動設(shè)備的需要，使鍵盤的應(yīng)用領(lǐng)域更廣泛。

4 結(jié)論

本文以BCM2042芯片作為鍵盤主控芯片，對鍵盤的電路和軟件功能進(jìn)行了基本設(shè)計，采用可分離數(shù)字鍵和三段可折疊設(shè)計方案，滿足了移動設(shè)備的需求。

[1] 鄭郁正，楊明欣，馮新華.一種PC鍵盤的革命性設(shè)計[J].微計算機信息，2007，23(72)：276-278.

[2] 劉樂善，葉濟(jì)忠.微型計算機接口技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，1996.

[3] 沈浩，楊君順，唐波.數(shù)字鍵盤布局人機工程學(xué)的研究[J].包裝工程，2005，26(4)：129-130.

[4] 趙英新，陳淑，景璟.人機工程鍵盤的設(shè)計與研究[J].山東工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2001，31(5)：433-440.

[5] 楊明朗，袁桃.基于人機工程學(xué)的鍵盤設(shè)計[J].包裝工程，2005，26(5)：168-170.