Goodbye, 机械键盘

上一篇文章中，做的机械键盘用了三年多，我寻思可以换个新的了。那正好和机械键盘说再见，做个光轴键盘。同时也可以作为电子电路的 Hello world 研究作业。

电路的基础知识

作为电子电路的外行人士，还是需要学习一个。

第一是重温电路的基本定律：

欧姆定律
基尔霍夫电流定律，基尔霍夫电压定律
戴维南定理

依靠这些基本定律，可以通过解线性方程组的方式进行电路分析。

然后引入非线性元件：

电感： $V=L\frac{dI}{dt}$
电容： $I=C\frac{dV}{dt}$

这时需要解的就是线性微分方程组了。通过拉普拉斯变换，依然可以变成代数方程组解决。进一步分析需要信号与系统和小波分析的相关知识。不过这些方法基本都集成在电路模拟工具中了，例如可以用这个在线工具：https://www.circuitlab.com/ 。

然后是半导体元件：

N 型半导体 (negative charge)：掺杂了磷、砷、锑等，电子为载流子
P 型半导体 (positive charge)：掺杂了硼、铟等，空穴为载流子
肖特基管
二极管和三极管
场效应管

然后是微控制器：

时钟
中断
pull-up 和 pull-down 输入
开漏 (open-drain) 输出
推挽 (push-pull) 输出
ADC
常用通信协议：I2C 和 SPI

真实世界中，每个元件都不是单纯的元件——例如每个电阻，其实都是电阻、电感和电容的集合体。

每个元件的特性都不是简单的线性关系，会受温度、光照的影响。元件和导线之间还会感应、干扰。电路的输入信号也从来不是理想的。元件厂家的 datasheet 会提供一些额外的参数和数据方便分析。除此之外，还需要吸收大量前人的设计经验和艺术：

还有些基础理论（选修），涉及固体物理和控制论：

费米能
肖特基势垒、欧姆接触
PID 控制

整理需求

对要做的新版本键盘，理了一下自己的需求包括 functional requirement 如下：

蓝牙 USB 双模，键盘还能连接 Wi-Fi，接上后输出键盘的 Wi-Fi 地址，用电脑访问地址弹出配置网页，点保存就可以。所以用户不用安装软件、不用交网费就能全平台配置键位。
使用 USB-FS (full speed，全速，帧间隔 1ms)
左右分离，通过 SPI 通信。
可外接设备如微型轨迹球和麦克风
无线电子墨水显示键盘状态，不需要 LED
能贴片的全让代工厂贴了，避免手工焊接。
最后且最重要的：和触点开关的机械键盘说再见，用光轴

光轴的原理是 PCB 上摆一个红外发光二极管和一个接收器（三极管），没按下去时接收器导通。轴体按下去阻隔了红外光，接收器电阻变大相当于断开。相比机械轴，光轴的信号极其平滑，抖动很少（据说也有抖动，是否需要防抖得测试一下再说），响应一般在 0.1ms 内。由于没有触点，光轴也更顺滑，使用寿命要长 50% 以上。由于不用和 PCB 连接，轴的受力可以完全加在板上，不会影响 PCB 寿命。

光轴还有一个优势是：输入电路和输出电路之间以光耦合，不存在电流乱走造成幽灵按键的问题。

其他选择：模拟光轴或者霍尔效应轴，但模拟光轴还没有方便购买的散货。霍尔效应轴就佳达隆一家有量产，写信联系它又不理我。途中有一位热心的老哥 riskable 给我发了他的 3D 打印霍尔效应轴图纸，但由于制作有点麻烦，最后还是没那么做。对霍尔效应轴感兴趣的朋友，可以看看 input.club 的 Keystone。

关于延迟的讨论

人类的反应时间在 300ms 左右。如果练成了“肌肉记忆”，对特定信号的反应会更快。例如闪烁躲锤子，反应在 200ms 都是有可能的。

机械轴触点的抖动一般在 5ms 内，如果要防止误触发（例如键盘震动造成的簧片抖动、感应无线电波造成电平变化等，比较少见但是有可能），最好进行 10ms 左右的 debounce 之后再发送信号。这就引入了 10ms 的延迟，很多低成本键盘为了方便，甚至把防抖搞到了 30ms。光轴信号是无抖的，不用做这个消抖，且感应元件微秒级的响应，就算求稳加入防抖，1ms 的前摇消抖就可以（后摇依然可以 30ms，人没法在这么短时间内按同一个键两次）。

微控制器的扫描间隔会造成延迟，执行代码也需要时间，可以提高主频和扫描频率，使之可忽略不计。

一些键盘声明为 USB 低速设备，帧间隔 8ms，那也会造成 0-8ms 的输入延迟。USB 全速帧间隔 1ms，高速帧间隔 0.125ms。一般如果键盘用的微控制器价值高于 1 块钱的话，会支持到 USB 全速，于是由 USB 帧间隔导致的延迟在 0-1ms 之间。

USB 集线器也会造成延迟。有些显示器可以外插 USB，这也是一种集线器。延迟的量级在 10 个帧左右，如果帧间隔是 8ms，你就在集线器获得了 80ms 的延迟。为了最小化延迟，建议直连而不是通过集线器。

USB 的信号一般是通过南桥芯片/ICH再进 CPU。ICH 是 IO Control Hub 的缩写，说白了也是一种集线器，它不是转到 USB 协议，工作的频率很高，造成的延迟大概可忽略不计？

显示器延迟也不可忽略，普通显示器刷新率低如 60Hz，还有响应时间延迟如 5ms，那显示延迟就是 5-22ms。换用快响应时间如 1ms 及刷新率 144Hz 的显示器，显示延迟可降低到 1-8ms。

网络延迟很难估算，只能通过升级套餐、和运营商扯皮等方式解决。

综上，

	普通设备的延迟(ms)	改进后的延迟(ms)
显示器	5-22	1-8
防抖	30	1
USB 速度	0-8	0-1
集线器	80	0
总计	120-145	2-10

可看到，其中改善防抖、去掉集线器的收益最大。

信息储备

为了支持这个设计，需要点实操培训。所以就先学习了一遍 Phil's Lab 的 STM32 PCB 设计+嘉立创打板教程。高频电路的设计技巧是：同类元件和同类信号尽量在同一区域；层越多越好，信号/power pour 和 ground plane 相间；当信号穿越 via 时，在旁边也来一个 ground via 配对；power 和 ground 之间电容越大越好 —— 因为高频信号无时无刻都在辐射，信号附近有地可以保证能量基本在它们之间的电介质传输，从而避免辐射到外面去。

然后就是微控制器 (MCU) 选型。现在由于芯片荒，主流 MCU 都涨价且缺货… 看了一百多本手册和价格以后，基本候选在下面几个 MCU：

ESP32-PICO。支持 Wi-Fi + 蓝牙，有 touch sense 功能，一个模组不仅自带天线，还打包了晶振，简直太方便了，写文章时单片 20 块左右。SDK 也是我喜欢的，可以命令行搞定。
类似 STM32 的国产芯片，例如 GD32, MM32, FM32, 雅特力, Holtek 等，价格便宜且容易买到货，就是文档和工具比 STM32 / ESP32 差得远。
高通 QCA4020。有 Wi-Fi + 蓝牙支持，PIN 很多但大部分都是地，可用 GPIO 的数量其实要少很多，不好贴。
高通骁龙系列。类似 QCA4020，运算能力强，可以买拆机垃圾，同样不好贴。
nRF52840。有 Wi-Fi + 蓝牙支持，48 个 GPIO 差不多刚好支持单手键盘全键直连和中断驱动。缺点是比 ESP32 贵不少。
最近量产的 ESP32-S3。Wi-Fi + 蓝牙支持，44 个 GPIO，自打包了 PSRAM、晶振和天线。核心是 Cadence 家的 Tensilica Xtensa 双核，这个架构优点是提供了一套定制工具，相比千篇一律的 ARM 处理器可以发挥定制能力强的优势。价格便宜，简直是国产之光，我直接下单了 10 片。

然后是光轴相关资料，有个叫 optical-future 的论坛上把发射器/接收器资料和光轴设计要考虑的点都讨论了个遍，节约了我很多功夫。下图 D4 为发射器，Q2 为接收器。

发光二极管采用 IR12-21C-TR8。

光敏三极管采用 PT12-21B-TR8。

光轴尺寸：

PCB 上的打洞尺寸：

然后是迷你轨迹球相关资料，基本锁定在：

霍尔效应轨迹球 Trackball Breakout，I2C 低速接口
光学轨迹球 Pixart PAW3204OA，SPI 接口

ESD 保护，也就是 electro-static discharge 保护，是一种防止静电放电破坏电子元件的元件。选定为给 USB 优化的专门元件 USBLC6-2。

USB 供电是 5V 的，但芯片基本都需要 3.3V，所以需要变压。考虑到电器的阻抗会变化，不能简单的用电阻串联分流，而可以用自动稳压的元件来供电。MCP16301/H 就是这么一种，利用输出电压的反馈自动控制，来稳压的元件。

解耦电容：传统键盘电路都是低频信号不太用考虑，但这里有 2.4G 的蓝牙信号和 40M 的 Wi-Fi 高频信号，所以也需要添加些解耦电容，吃掉高频的信号对我们 IO 端口的干扰。好在可以按照 MCU 参考电路添加。

了解 I2C 的原理，一般芯片支持 100kHz/400kHz 的通信速度。

了解 SPI 的原理，一般芯片支持主频/n 的 SPI 通信速度，所以比 I2C 要快。

了解 USB 的原理：

USB Made Simple – Part 1

如果芯片支持 USB-HS 也就是 high speed，那也能克服集线器的限制了，因为集线器增加约 10 个帧，对 USB-HS 也就 1.25ms 的延迟，是可以忽略的。遗憾的是支持 USB-HS 的芯片非常少。现在我找到的两种方案是：

利用 USB PHY 元件如 USB3300 来连接，但这些元件需要 ULPI 协议，没 FPGA 似乎搞不定
使用 Atmel 的 SAM9X 这种支持高速 USB 的芯片

以上两种方案成本都比较高，USB-HS 就留待下个版本的迭代吧。

无线射频：对 2.4G 频率的信号，主要利用超外差式的方式进行接收，也就是，用和信号相近的本地信号和接收到的信号混频，产生容易处理的、频率低得多的 IF (intermediate frequency) 信号。这方面的基础知识，建议参考：

天线在 PCB 上画，同样可以用参考设计。天线的分析原理可以用 $A-\phi$ 方程，即磁矢量位(magnetic vector potential) 和电标量位 (electric scaler potential) 方程计算。不过买的 SoC (system on chip) 模组自带天线，不需要自己画天线了。还有个问题是，金属载板会阻挡信号，解决办法是让天线凸出去。

这次不搞灯，没必要低头看键盘的状态，显示器旁放一个无线显示就可以了。可以购买现成的 ESP32+电子墨水屏+电池的组合，以 Wi-Fi 连接到键盘。

语音识别，ESP32 有现成的 SDK 可用。

低功耗设计

我们可以循序渐进，先做好有线连接的设计，再做无线连接的设计。光轴的缺点是一直需要点亮发射器，键盘扫描耗电大，做低功耗就需要经常休眠。而休眠做得不好的产品，例如 M$ 的 Sculpt 鼠标，一段时间不动，就得两秒唤醒，给使用增加很多麻烦。

一个低功耗的键盘，应该可以在下面三种工作模式切换：

正常工作模式：如果一段时间没有输入，进入浅睡眠模式
浅睡眠模式：降低主频和扫描频率，有按键时进入正常工作模式
深睡眠模式：停止扫描，切换到低功耗的协处理器，启用 proximity sensor，当有人接近时唤醒到浅睡眠模式

proximity sensor 有很多种，备选的几种方案有：

基于 Wi-Fi CSI 的检测：需要比较多的计算，可能并不省电
基于电容的检测：省电，但探测距离过近 (一般只有 mm)
环境光检测：要做差分，而且如果环境黑暗就不适用了
主动红外光检测：现在的主流方案，通过一个红外发光二极管发光，如果人手接近键盘，就会反射红外光，再通过环境光感应器读数。主动探测的发光二极管功耗比较高，但因为感应器响应很快，可以通过减少发光时长和频率来降低消耗。

检测到接近后，通过 I2C 发送信号到 ESP32-S3 的超低功耗协处理器 (ULP)。协处理器是一个 RISC-V 指令集的简单 CPU，可以用简单的汇编编写其逻辑。其中几个会用到的扩展指令是：

REG_WR: 改变 IO 引脚电平，打开红外发光二极管
ADC: 读数
WAKE: 指令唤醒主处理器

低能耗的扫描逻辑

查手册，估算每个红外发光二极管正常工作电流约为 20mA，一个键盘 80 个键，全部并联点亮那就是 1600mA，已经超过 USB 2.0 允许的最大电流了。有几个办法改善：

红外二极管的正常工作电压是 1.2V 左右，我们用 3.3V VDD 供电，二极管 3 个一组串联，那刚好每个二极管分配 1.1V 的电压，就不需要在电阻里浪费功耗了。
和扫描矩阵一样，分组轮流点亮，每次只点亮 3 个管。瞬间电流是 20mA

还有可以想到的一点是，点亮时间是越短越省电。我们先计算一下以下几个必要的延迟：

种类	延迟
从设置 output pin 到输出改变	20-100ns（没有资料，按场效应管响应时间得出的估计值）
红外发光的响应时间	20ns（类似产品的估算值）
红外感应的响应时间	15μs（手册给出）
从输入改变到 input pin 值改变	1.8μs（网友实验测量值）

如果规划 50μs 的点亮时间，以总计 40 个键计算，可得一个扫描周期约为 40 / 3 * 0.05 = 0.65ms，此时等效功耗为 3.3V x 20mA。如果压缩点亮时间到 30μs，单扫描周期延长到 0.8ms，等效功耗为 3.3V x 8mA。再考虑深浅睡眠停止扫描，用 2000mAH 的电池供电能工作挺久的了，实际使用再进行调整。

还有一个问题，计算得三个串联发光二极管的等效内阻约为 165Ω，ESP32 单 output pin 是否可以对其输出 20mA 左右的驱动电流？按网友的测量应该可以：

上图中驱动强度为3(source3)的曲线，第6个点负载 150Ω，刚好是20mA

还有一个问题，发光二极管是非线性元件，各管有公差，串联起来会不会一个电压特别大，另外一个电压特别小呢？查看数据手册的电压-电流曲线可以知道，电压越大，等效电阻越小，电阻变小就反过来让它分到的电压变小，因此这个串联效果是稳定趋于均分的。

工程规划

综上，大体设计和可行性分析已经无大问题，制作流程大致为：

打印一个多功能的 Breakout 测试板，顺便练习手焊模块
打板、编程
设计外壳、切削
扩展电路添加外接的轨迹球
添加无线显示

工具准备

为烧录和 debug 准备了 90 块的国产 DAPLink 一个，但直接用 ESP-IDF 增加一个 USB-UART 就可以了。

画 PCB 依然是 KiCAD，元件的引脚、模型可以在 Ultra Librarian 搜出来下载。

使用 ngSPICE 做电路模拟。

板和壳建模仍旧是 OpenSCAD。

光轴若干，买回来量量尺寸，做个准备。

Filco style 板载卫星轴。

左右通信线材选用 USB 线，全接 Type-C 口。

焊接工具等。

频谱分析仪、网络分析仪、信号发生器、矢量信号分析仪——暂时不需要。

以上，暂时就酱，可以动手开工了。

来源：知乎 www.zhihu.com

作者：luikore

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