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，這便是現代電腦鍵盤的雛形，受此影響，現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，即鍵盤的按鍵數量個數和所提供的功能數。不同人群需要的按鍵數及功能是不同的，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?？椭苹I盤即從用戶角度出發(fā)，根據用戶的需求進行獨特的個性化定制，對標準化工業(yè)產品進行功能增減、材質或結構更換，設計適配個人使用習慣的機械鍵盤。

1 軟件設計

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表示，104鍵位為全尺寸（即100%）鍵盤，百分數代表了按鍵數量和功能占比。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，國內并不常見；而60% 鍵盤則在國內外都有著很大的用戶數量，這一區(qū)別主要是因為中文輸入必須要求數字鍵的配合；50% 鍵盤則同時兼顧了數字與便攜性。雖然這三款配列都可以通過修改鍵位和設置組合鍵來輸出字符，但是越精簡的鍵盤配列所需要設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?？梢钥闯鍪褂米笫值娜苏剂舜蠖鄶?，所以設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，而右空格可以根據不同使用情況設置為切層鍵或宏或是其他功能鍵。此鍵盤根據需要可設置1～2個FN 功能鍵，也可與字母區(qū)鍵位組合設置為其他功能鍵或錄制為宏，用來實現個性化功能。應用此功能，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% 配列鍵盤為基礎對兩者優(yōu)缺點進行了對比與取舍，設計出了全新的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修改鍵位、錄制宏等功能，可以用更少更簡單的步驟實現同樣的功能。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信息，如名稱、矩陣信息、配列設置以及修改功能，如圖3所示。

圖3 機械鍵盤VIA 基礎設置圖

2 硬件構成

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，內嵌了系統(tǒng)內可編程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針腳上連接開關作為鍵盤鍵值的重置鍵，便于后期重新燒錄固件文件調整鍵盤鍵位。

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 設計

根據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置鍵盤按鍵，設計時采用矩陣掃描鍵盤的方案，軸座選用國產無燈凱華軸座。

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。所有鍵盤按鍵處設置的鍵盤軸開關列輸出位置均使用二極管與單片機內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，防止產生某一個按鍵被按下時所有I/O 口都呈現高電平，導致主控讀取錯誤信息[6]。

4 外觀設計

該鍵盤配列較為新穎，在常見的鍵盤結構中，綜合成本與便攜性考慮，選用了亞克力堆疊的三明治結構，如圖6所示。該結構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，設計簡單，材質輕便，易于攜帶。

圖6 亞克力堆疊鍵盤結構示意圖

5 結語

本設計對個人習慣、所需功能、實際使用情況等需求進行調查分析與測試，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，取長補短，以滿足各種需求，最終設計出了一款全新的50% 配列機械鍵盤。同時，對鍵盤各項參數進行了實際測試，使用手感符合預期，適配軟件運行正常，外殼結實牢固，可靠性強。