面包芯语

自己动手，DIY一把低功耗蓝牙、USB双模机械键盘

原创 电子工程世界 2024-06-06 07:01
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虽然现在自己组装一把属于自己的客制化键盘，已经是一件非常容易的事了，想要什么配件都很容易买到，但总归是没有自己DIY更合自己心意。想必你也曾经在B站看过很多DIY键盘的视频，EEWorld也曾发起过DIY的活动，其中便有网友DIY了属于自己的那把键盘。（原帖汇总地址：https://www.eeworld.com.cn/auf14KG）

jj1989｜作者
电子工程世界论坛｜来源

市面上支持蓝牙的机械键盘较少，同类产品多使用经典蓝牙，功耗较高。而无线键盘对功耗要求较敏感。本作品使用低功耗蓝牙（BLE）作为无线数据传输。同时支持蓝牙和USB连接，在无线模式下，借助于BLE的优势，可以实现超长续航。网络上可以搜索到的关于DIY键盘的文章比较多，这里对于重复性的东西就不做过多介绍，主要还是着重说一下BLE部分。

BLE方案选择


第一个版本中，BLE部分使用的是Nordic的NRF51822，主控芯片与51822通过串口进行通信。当时硬件上面只使用了RX和TX两根线，没有使用硬件流控。这样在串口通信的时候，因51822内部还在跑softdevice，会导致数据丢包。而我这里测试的情况是根本无法通信，一发送数据，51822就复位重启。经调试发现是出现了通信错误。这里解决的办法一是使用硬件流控，二是换方案。本来一开始打算使用Dialog的14580，考虑到开发周期最后才选了51822。这次时间比较充足，看来还是要换回Dialog。使用14580需要外挂flash，当然代码稳定后就不需要了。考虑到元器件是要自己一个个徒手焊接，还是选择14583。与14580相比，其内部集成了1Mbits的flash，可以少一颗物料，但价格就要贵很多了。看来鱼和熊掌不可兼得啊。目前方案验证基本OK，PCB还没有开始修改。先来一张PCB的3D效果图。

图1

硬件改进


在第一版的基础上，将做如下改进。
  • Mini-USB接口换成Type-c接口。
  • 蓝牙芯片由NRF51822换成DA14583，并增加EEPROM。
  • 复位按键更换为霍尔传感器，使用磁铁复位。
  • PCB定位孔调整。

改进说明：1.换成Type-c接口，虽然没什么用，但也算是与时俱进吧，现在很多电脑已经提供此接口。2.增加一片AT24C02，用于存储蓝牙设备的绑定信息。存储多个设备的绑定信息，可以实现键盘在多个蓝牙设备之间切换使用。3.键盘组装好后，要想按键复位，需要在外壳上打一个孔，这太影响美观了。换成低功耗的霍尔传感器，只需要磁铁在旁边吸一下即可复位主控芯片。4.第一版键盘设计的时候没来得及设计外壳，PCB的定位孔没有过多考虑。这一版需要调整一下，结合后面设计的定位钢板，调整孔的位置和大小，使用M3的螺丝固定PCB。

注意事项


Type-c接口支持正反插，引脚比较多，第一次使用差点搞错了。这里的键盘使用的是母头，标准Type-c母头引脚定义如下：

图2
在淘宝上购买的Type-c母头如下：

图3

使用的贴片形式，本来打算上直插，但PCB厚度为1.6mm，直插的引脚太短，怕不牢固。这贴片的估计也好不到那里去。卖家没有引脚定义图，我只有用万用表试，将购买的type-c公头与母头连起来，然后一个一个引脚挨着测试。测试结果，引脚指向自己，从左到右依次为：GND、VBUS、CC、RFU1、D+、D-、D+、D-、CC、RFU1、VBUS、GND。这里购买的接头与标准定义的不一样，省掉了一些引脚。但这里真正需要用到的，除去电源和地外，就只有D+和D- 。只要D+和D-不要搞反了，就没问题。

PCB设计


需要注意的地方也就蓝牙天线部分了。由于体积限制，使用的陶瓷天线，仅使用软件计算了一下阻抗匹配。第一版的天线信号质量很差，这是第二次搞天线，心里也完全没底。有没有这方面的老司机，求带啊。主控使用的STM32L053R8T6，USB部分全速也就12Mbps，两根USB信号线按照一般布线连通就能正常工作，就没有去注意信号完整性方面的东西。目前板子已经打样，坐等调试。最后来一张PCB的3D图。

图4

PCB焊接


这次PCB打样还挺快，周一下单，周五就收到，采用的是无铅工艺。话说这键盘以后每天跟身体接触，还是无铅的更安全、环保一些。但收到的PCB跟有铅工艺的没区别，包装、说明都一样，也没有注明工艺是否有铅。咨询了一下客服，得到了一个比较简单的判断方法。即拿一张白纸，稍微用力摩擦焊盘，白纸与焊盘摩擦部分变黑即含铅，否则无铅。测试了一下，本次PCB确实是无铅的。打样回来的PCB如下图。

图5

图6

接下来就是焊接PCB。对蓝牙部分期待比较大，先从蓝牙部分着手。下班后立即投入焊接工作当中。这应该算是第一次真正焊接QFN封装的芯片，本想叫公司的老司机帮忙，想了想还是自己来，练一下手。焊接还算顺利，感觉还不错，不过忘了拍照。天线部分的电感选用的0402，第一次焊接这么小的器件，有点痛苦，一直担心器件会不会烫坏。

焊接完后，烧录程序进行测试。公司电脑上没最新的代码，烧录了一个老版本的进去后，搜索不到蓝牙信号。什么情况？检查了一下芯片焊接，没有问题。怀疑天线部分的0402元器件短路，重新焊接了一下，还是不行。索性把天线部分元器件全部去掉，但还是不行。难道是程序有问题？于是烧录另一个程序，终于有了信号，原来是代码问题。在没有天线的情况下，手机靠近芯片，信号都还可以，突然有点小激动，马上把天线部分焊接完整。用lightblue测试一下，信号强度还不错，比起之前好太多。此芯片内部集成巴伦，外围只需几个元器件。

真想一口气把板子焊接完成，但蓝牙部分硬件调试耽误了很多时间，只能留到周末去搞。在今天下午，又去公司焊接了几个小时。由于使用的无铅焊锡丝，其熔点相对有铅焊锡丝要高一些，焊接起来没无铅的那么顺手。搞了一下午，总算把基本部分焊接完成。剩下按键和LED背光部分没有焊接。如下图：

图7

图8

实际上只是焊接了一小部分，剩下的才是大头。

现在已经可以测试了，烧录好STM32的代码，连接Type-c数据线到电脑，"咚"一下，熟悉的声音出现，设备管理里面成功识别出HID键盘，如下图：

图9


用镊子短接按键测试一下，也能正常输入。剩下未焊接的就只有等到后面有空再搞了。由于USB接口换成了Type-c,支持正反插，使用起来很方便，不用再去找方向啦。

又经过了几个小时的焊接，PCB总算焊接完成。由于使用的无铅焊锡，焊接过程是相当痛苦，焊接出来也是很难看，只能说勉强能用。经网友的提醒，大致算了一下，焊接点数差不多上千，体力活啊。灯珠使用的是3528封装的RGBLED。PCB上打一个孔，放置灯珠，然后用焊锡将焊盘与引脚连通，这个焊接过程考验的是耐心。本来不打算焊接灯珠，因为要使用不透光的键帽。后面想了一下，还是搞一个完整的出来，毕竟这个灯珠是新买的，质量比较好，想看一下效果如何，有没有色差。之前使用的是别人给的，色差很严重。来两张点灯图。最后一排不亮，似乎焊接哪里出了问题。

图10

LED灯是一行一行地扫描点亮，照片显示出来只亮了四排。

图11

接下来就是清洗PCB板。板子太大，没有合适的容器浸泡，用一个自封袋搞定，如下图：

图12

然后就是焊接按键。在这之前，先把卫星轴安装好。这里使用的国产卫星轴，没法跟原厂的樱桃卫星轴相比。

图13

之后将装好按键的定位钢板与PCB合体。定位板是之前在淘宝上加工的不锈钢板。键帽是下血本在咸鱼上淘的，侧刻不透光。

图 14

这里需要检查按键的每一个引脚是否都对应好了焊盘。否则当焊接了一半，发现有引脚没对应到孔位，操作起来就很麻烦了。

图15

接下来又是焊接，不过这个焊接起来就很轻松了，很快就搞定，如下图：

图16

来一张特写，灯珠部分焊接很难看。先这样吧，反正装上壳子后就看不见了。

图17

现在终于可以接上USB数据线码字啦。手里没有Type-c数据线，使用了一个Type-c转Micro-USB头。到这里键盘就基本成型了，已经可以用来码字啦。整个效果如下图。

图18

图19

这里使用的是Cherry红轴。平时使用的青轴，这是第一次使用红轴码字，感觉很不一样。敲击很轻盈，回弹也可以，没有青轴的机械声音。总之，完全不一样的感觉。

外壳设计


外壳准备使用木头制作。有一个朋友是做实木家具定制的，打算找他帮忙。问了一下，说我这个精度较高，他那里搞不定。我这个需要使用雕刻机，并要用好一点的木材，才配得上此键盘。浏览了一下淘宝，发现上面有木材并提供加工服务，具体能不能达到要求还没有细问，先把图纸画好再说吧。下面是外壳的3D图。

图 20

简单渲染了一下，效果还可以。

图 21

最近发现论坛上有DIY雕刻机的帖子，并提供了各种资料，可以很容易的自己做一台出来。难道为了这个键盘外壳，我要先自己做一台雕刻机？外壳尺寸是124X315mm，小的雕刻机还不能一次性加工完成。各位有没有什么好的建议。

功耗优化


该键盘的一个特点是使用的低功耗蓝牙（BLE），因此功耗优化是重点。
现在对系统做如下处理：
  • 主控部分：连续10分钟无按键，主控进入休眠状态。
  • 蓝牙部分：5分钟内无设备连接，进入休眠状态。
  • 通过任意按键唤醒系统。
先来看一下，未做优化时，功耗多少。测试条件为关闭LED，开启蓝牙，键盘正常工作。

图22

得益于L系列的低功耗，尽管没有做优化，功耗也不是很高，电流仅9.5mA，其中蓝牙部分的电流接近1mA。这里使用的是一块4000mAh的大电池，不优化也可以连续工作十几天。

接下来，进行功耗优化。这里配置STM32的睡眠模式为STOP模式，这样可使用外部中断唤醒。按下任意按键即可唤醒键盘。当关闭蓝牙设备，STM32进入睡眠后，测得系统整体电流如下图。

图 23

从图中可以看到睡眠后整个系统电流为38uA。待机一天下来，消耗的电量为0.912mAh，不足1mAh，功耗较低。另外，在蓝牙模式下，长时间无按键，是否需要断开蓝牙连接并进入休眠，需要进一步测试。考虑到蓝牙唤醒后再自动连接到设备，需要一定的时间，可能会影响到使用体验。

目前测试来看，当主控睡眠时关闭蓝牙，短时间内唤醒后，蓝牙可以立即连接上，体验上基本没影响。目前系统睡眠时，直接切断了蓝牙部分的电源。蓝牙部分的功耗及控制方案后面有时间再来优化。

这里的主控选用的STM32L系列，其低功耗模式相对其它系列要复杂一些，可配置的选项比较多。键盘在工作时，主频为最大的32MHZ，实际使用不需要这么高的频率，可以降低频率以进一步降低功耗。关于主控部分的功耗优化，还有很多地方可以操作，这里仅做了一个简单测试。后面有时间再来进一步完善。

最后贴一张功耗调试时的照片。功耗调试时就不能连接USB了，需要频繁的插拔USB线，于是搬出了上一版本的键盘，国产G青。个人觉得还是青轴码字舒服。各位喜欢什么轴呢？欢迎跟贴讨论。

图24

功能演示视频


功能测试



最后再来几张键盘的特写。

图25

图26

图27

图28

图29

图30

图31

总 结


很久以前就打算DIY一把机械键盘，但由于种种原因一直未能开始。恰逢遇到某论坛的一次电子制作活动，索性就报名参加了，然后就有了第一版的键盘。当时由于时间及设计上的一些问题，未能实现蓝牙功能。此次参加EEWorld的DIY活动，在第一版的基础上，更换了蓝牙硬件方案，对键盘进行了优化和升级。目前已经基本实现了最初的设想，后续软件部分还需进一步完善。

回顾了一下，从此次DIY的第一篇帖子到此贴，刚好整整两个月时间。在这两个月时间里面，利用业余时间，基本按照计划一步步完成了该键盘从无到有的制作。其中感觉最难的就是板子的焊接。由于使用的无铅工艺，焊接起来相比第一版，难度增加不少。在网友的提醒下，查看了一下PCB的报告，总共1400多个焊点，全程手工焊接。现在回想起来，有种不小的成就感。

整个键盘制作过程是充满快乐与痛苦的，而当看到最终的成品时，内心是无比喜悦的。这也许就是DIY的魅力所在，痛并快乐着！

· END ·








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