键盘DIY——RK61改装成HHKB键位

背景

前段时间入手了一把HHKB，感觉键位设计真的不错，尤其是方向键和Home、End，可以在手指不离开打字键位的同时轻松按到，让手完全留在主键盘区。但生活也有几点不那么完美的：

用惯了之后，再用原来的键盘真的超级难受，一个是Ctrl，另一个是backspace，老是按错。
用背包来回带很麻烦，进公司要查包，坐地铁要安检。
手感……是个玄学，但是用了一段HHKB之后再用我的茶轴IKBC，感觉IKBC手感真的好，可能我更喜欢机械键盘那种更干脆的手感。

有了HHKB之后，打算把一直吃灰的RK61卖掉，感觉再也不需要它了。但是不小心把它外壳摔裂破相了，估计价格要大打折扣了。于是我想，干脆把RK61改成HHKB的键位，来解决上面的问题吧！

软硬件环境介绍

电脑：联想G410笔记本
操作系统：Debian 9/Linux Mint
调试工具：JLink V9仿真器
软件开发环境：STM32CubeIDE
开发板：YL-8开发板
电路板软件：KiCAD
3D模型制作：Blender/FreeCAD

关于RK61

RK61是我的第一把60%键盘，这把键盘有点坑，Fn的功能很有限，没有办法按出Home、End等键，用起来很不方便，买了之后用了一周就吃灰了。看官网现在的版本好像支持更多的组合键了，但是老键盘并不提供固件升级。

先拆开它看看。主要有两个芯片

主板图

SH68F83
这个芯片是一个支持USB协议的单片机，有线模式时的USB协议应该是这个芯片实现的。
BCM20730模块
基于博通的BCM20730芯片，这个芯片主要是为无线游戏控制器、键盘、3D眼镜等设计的。其中键盘相关功能我们可以重点关注一下。它支持最多8×20的硬件矩阵扫描，用来做键盘还是很方便的。

一开始考虑的是把蓝牙模块的软件换掉，硬件不动。但是这个模块的资料很少，没找到足够的开发资料，冒然开搞后面卡壳失败风险太大。最终选择了比较稳妥的方案：直接把主控换掉。这样我们只要搞懂按键的电路就可以了。同时我对无线的需求不大，决定先搞成一个USB有线键盘算了。

虽然没有使用这个蓝牙模块，但是对它的研究还是很有用的。从BCM20730的数据手册上我们了解到，硬件矩阵键盘扫描使用的引脚是固定的。

P0-P7 row0-row7 (KSI0-KSI7)
P8-P27 column0-column19 (KSO0-KSO19)

有了这个信息，再看看蓝牙模块上这些引脚都是接出来的，我们就能通过蓝牙模块的引脚，比较方便地确定键盘的矩阵电路。

蓝牙模块引脚图

RK61一共61个键，有了前面的蓝牙模块对应的引脚，然后用万用表量一量确认一下，就能知道这些键分为8行8列，最后一行5个按键，其他行每行8个。具体分布如下：

主板矩阵分布

这个矩阵键盘的电路的结构和GH60的很像，只是行列的排布有一点区别。大多数键盘的应该都差不多。大家可以去下载GH60的电路看一看。

矩阵按键电路跟单片机的小矩阵键盘有点区别，每个按键串联了一个二极管。因为矩阵键盘在扫描时，会拉低一个扫描线，同时保持其他扫描线为高电平。但是当多个按键同时按下时，可能会形成回路拉低条其它扫描线，出现多条扫描线同时为低，如下图(1)。这个二极管可以阻止这个回路的形成，如下图(2)。

矩阵键盘电路 (1)无二极管 (2)带二极管

我们只要把矩阵键盘的行列都引出来，接到单片机的IO上就可以了。剩下的问题基本上就是软件实现USB设备、键盘扫描了。

STM32流程打通

软件环境

之前其实没用过STM32单片机，大部分都是用的51单片机。读一些资料后，开始搭建环境，经过尝试，觉得最省事的开发环境就是STM32CubeIDE了。基于Eclipse，集成了STM32CubeMX，装好后装了个VIM插件就直接开用了。因为不需要写太多代码，所以找个最省心的环境就可以了。

STM32CubeIDE主界面

使用STM32CubeMX + Vscode + platformIO的同学，需要注意一下platformIO对CubeMx生成的USB库的支持不是太好，生成代码后不能直接编译通过，可能需要配置一番。
不得不说现在STM32的软件做得真方便，直接在图形界面里配置好了之后，按一下生成代码，所有初始化代码就全部生成了，很省事。

开发板hello world

用的开发板是很多年前买的YL-8开发板。还好在网盘里找到的它的电路图。买的开发板、模块什么的，一般都会把资料放到网盘里，防止哪天要用的时候，发现只剩板子，啥资料也没有了，真个好习惯，哈哈。
按照小开发板的电路图，在CubeIDE配置好引脚后，在主循环里加了两行代码，就实现了一个检测按键状态控制LED亮灭的小Demo。

int i = HAL_GPIO_ReadPin(button1_GPIO_Port, button1_Pin);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, led1_Pin, i);

使用STM32的USB接口

为了实现USB键盘，先要会用STM32的USB模块，这块感觉挺麻烦的，好在网上有很多现成的例子，相关教程不再赘述了，大家需要的网上找一找就有了。
我这里遇到了一个棘手的问题：按照网上的例子配置完成后，电脑竟然不识别USB设备！被这个问题困扰了好久，还买来一本《圈圈教你玩USB》来学习USB协议，但是还是不行。调试USB初始化代码，也没有报错。找来网上的例程烧进去，也没有反应。直到一天看书时注意到，USB主设备会根据从设备的上拉电阻来检测从设备，再看看YL-8开发板，USB接口并没有上拉电阻，而网上找的其它开发板的电路，则是带上拉电阻的。

USB电路，注意关键的1.5K电阻

难道是STM32F103RC里面不带上拉电阻？于是我接上了一个电阻试一了试，果然立马识别出USB设备了！

识别出的USB设备

原来只是一个电阻的问题！后来又在网上看了不少开发板，很多mini开发板USB接口电路都没有接好。这种开发板一般也没有带USB相关的例程，使用时需要注意检查一下电路。正常情况下，在CubeIDE里配置好了USB设备，烧进单片机之后，USB设备就能正常识别的。如果不能正常识别，很可能就是电路有问题。
不过经过这个问题，倒是学到了不少USB相关的知识，推荐《圈圈教你玩USB》这本书，学到了不少东西。

键盘HID设备实现

为了实现键盘的功能，需要把USB设备配置为HID键盘。CubeIDE生成的默认设备是一个Joystick的，我们主要需要改两个地方，一个是配置描述符，把端点从鼠标改成键盘；另一个是要新建一个键盘的报告描述符，这里偷懒直接把圈圈的报告描述符拷过来了。这些改动大部分都在usbd_hid.c里。具体改动可以看在Github上找到：https://github.com/thelxz/xzkb
我们后面发报告要按报告描述符描述的格式来发，所以只要弄明白报告描述符描述的格式就可以了。因为报告描述符用的圈圈的，所以报告格式和他的也是一样的，一共有八个字节:

报告描述符格式

第一个字节是特殊按键的状态，第二个字节是固定的0，之后的六个字节分别是同时按下的除特殊按键外的六个按键的UID。每个键对应的UID可以通过《USB HID Usage Tables》这个文档的"keyboard/keypad page"找到。
我一开始有点怀疑，只记录六个键够不够？后来试了下，因为功能键有单独的bit控制，除了功能键，我几乎不可能同时按下六个按键，所以如果不玩对按键要求比较高的游戏的话，这里一般就够用了。这点好像也是普通的USB键盘不能实现全键无冲的原因，有一些特殊的方法可以实现全键无冲，但是我们这里就不考虑了。
按这个格式生成报告了之后，使用下面的接口发送Report，没有意外的话，就电脑就可以收到单片机发送的按键了！

USBD_HID_SendReport(&hUsbDeviceFS, reportBuf, reportLen);

连接键盘和开发板

这一步比较简单，就是连线，我把行列分别连到了GPIOA和GPIOB上。唯一需要注意的地址是，最好找几个连续的引脚，这样后面编程会方便一些。

通过飞线连接矩阵键盘到开发板

添加软件逻辑

其实本来是想直接用TMK的代码的，但是发现TMK对STM32的支持好像并不是太好，而且还使用了ChibiOS这个BIOS，比较复杂，想看懂需要花些时间。于是决定自己写，更简单可控。
大家可以直接看代码，主要逻辑都在keyboard.h和keyboard.c里。
使用了两个数组作为字典来表示两个层，默认情况下，每个按键对应的UID通过keyUID[0]翻译，当Fn按下时，对应的按键通过keyUID[1]来翻译。这个逻辑是很简单的，代码可以在这里找到。但这样做其实有一个小问题，比如使用F2（组合键Fn+2）重命名文档时，如果先松开了Fn，2这个键就会发出去，结果就把文档重命名成“2”了。不过这个问题不常出现，我们先不管它，后面再修。
完成这一步之后，我们的键盘其实就能用了！

开发板键盘

但是很明显，这样有点丑，而且插的线偶尔会接触不良或脱落，导致一些按键失灵！看来为了把电路板塞到键盘壳子里，需要一个小一点的主控板了。

制作主控板

KiCAD介绍

正如之前提到的，网上好多比较小的开发板，有很多USB电路都不是直接连好的，就想着干脆自己做一个吧。发现现在PCB比以前便宜多了，10×10的才30来块钱，也好久没做过了，就试一下吧。
电路图软件试了试Eagle和KiCAD。很久以前用Eagle挺好用的，命令很方便，但是现在发现Eagle被Autodesk收购了，功能也有变化，比如显示3D库会直接跳到Autodesk网站，感觉Eagle已经变了，只好放弃它了。
反观KiCAD，最近发展好像很迅猛，装上之后发现功能比几年前强大了许多，文档也很丰富了，建议大家试一试。如果是第一次用，建议先把中文文档浏览一遍。

电路图：

KiCAD电路图

PCB和3D图：

PCB图

3D image

PCB画完之后，可以生成gerber发现商家制作了。本来还担心KiCAD国内用的不多，PCB制作会有问题，结果却很顺利，文件发过去直接就做出来了。
软件的各种操作在官方文档里说的很全了，有一些觉得有用的点分享给大家：

布线模式设置为推挤(shove)，可以在步线时把之前的线推走，默认没有打开

推挤模式

3D模型的制作

方法1：对Blender比较熟悉的话，可以使用Blender制作3D模型，导出OBJ之后FreeCAD选择材质，再导出wrl文件，KiCAD就可以导入了。Blender建模型比较快，但是导入KiCAD之后还需要重新调整大小，而且Blender的材质不能导出后就丢了。
方法2：直接使用FreeCAD制作模型，导出STEP文件，这样的话，直接导入KiCAD里面就会带材质，而且大小也不需要调整。后面尝试了一下，这个流程是可以的，但是我FreeCAD用的不熟，建模很慢。

前面PCB的3D模型里，缺了一些元件的模型，用Blender做了几个：

用Blender做的元件的3D模型

焊接组装

PCB回来发现做工一般，便宜了质量果然有些下降，但也还好，没什么问题。因为想让它当个小开发板的，所以没有做太小，还加了一些按键和LED。

PCB

开工焊元件吧！结果发现自己动手能力已经严重退化了，镊子夹着元件抖得不行。还发现自己电路画错了，Reset键不灵，只好搞了个飞线，看一下最后效果，简直惨不忍睹…

惨不忍睹的板子

上面黑乎乎的是松香，记得之前酒精是可以洗掉松香的，现在怎么洗了半天洗不掉，不知道是酒精不行还是松香不好。算了，就这样吧，反正放到壳子里也看不到。

板子安装到壳子里

为了降高度，一些不用的元件去掉了，把SWD调试口接了一个MicroUSB连到外面去了，方便下载程序。这样处理是偷懒了，后面有心情时再研究一下怎么通过USB升级程序或者把USB接口复用一下，只留一个接口。
装上壳子，外面看起来还不错吧！

装上壳子之后

细节处理

安装支脚、防滑垫

RK61是没有支脚的，不是太舒服，而且原来的防滑垫也老化了，掉了两个，都需要处理一下。

支脚网上有卖的，挺好看的，但是大都需要运费，就自己打了个孔，装了个六角铜柱，套上了一个小橡胶帽来防滑就可以了，橡胶帽是原来吃鸡手柄带的电容屏按键帽，防滑效果还是挺好的。

支撑脚

下面加了一个原来买键盘托带的橡胶垫，用螺丝刀的六角刀头在螺丝处打一个孔。

防滑垫

Fn功能键优化

现在来处理Fn键松开后，已经按下的键功能发生变化的问题。为了解决这个问题，不能只考虑现在按键的状态，还必须考虑到上次按键的状态。代码的变化主要有：

按键的level不是全局的，而是每个按下的键都有一个自己的level。
在按键扫描时，记录上次扫描状态，如果这个键上次扫描就已经按下了，它的level状态就不受现在Fn状态的影响，而是直接复制上次的level信息。

功耗优化

现在键盘的功能基本上搞完了，但是心里一直有一个疑惑：我写的程序一直循环检查按键状态，就算等待的时间，也是在原地循环，这样电路的功耗会不会很大？为了方便的搞清这个问题，采购了一个测量USB电流的小设备。这个工具主要是用来测量充电器的功率的，但是精确到了mA级，测量键盘的功率应该也是可以的。测量结果如下：

几个键盘的功率对比

我们做的键盘功耗是有一点大，比达尔优的104键还大一点。但是再看HHKB Pro2，好家伙，功耗竟然是我的三倍多！难道是内部集成了USB HUB的原因？不知道现在新的HHKB功耗降下去没有。
优化功耗可以从两方面入手：

把延时程序的循环查询改成Sleep
降低MCU的频率

我们先看一看HDL_Delay() 这个延时函数：

__weak void HAL_Delay(uint32_t Delay) //注意 __weak
{
  uint32_t tickstart = HAL_GetTick();
  uint32_t wait = Delay;

  /* Add a freq to guarantee minimum wait */
  if (wait < HAL_MAX_DELAY)
  {
    wait += (uint32_t)(uwTickFreq);
  }
  while ((HAL_GetTick() - tickstart) < wait)
  { //这里是用循环在等时间到达
  }
}

发现这个函数是个弱函数，我们只要按照它重新实现一个就可以，不需要修改HAL库。我们把它的循环等待里加一行sleep函数，让它在等待时进入低功耗状态，等systick来了的时候，会从sleep状态唤醒它，检查时间是否到达。代码如下：

void HAL_Delay(uint32_t Delay)
{
  uint32_t tickstart = HAL_GetTick();
  uint32_t wait = Delay;
  /* Add a freq to guarantee minimum wait */
  if (wait < HAL_MAX_DELAY)
  {
    wait += (uint32_t)(uwTickFreq);
  }
  while ((HAL_GetTick() - tickstart) < wait)
  {
      HAL_PWR_EnterSLEEPMode(PWR_MAINREGULATOR_ON, PWR_SLEEPENTRY_WFI);
  }
}

其中的HAL_PWR_EnterSLEEPMode()函数可以调用WFI，进入低功耗状态。看一下修改完成后的功率：

睡眠等待之后的功率

效果还是很明显的，功耗降低了约50%。下面再试试降低时钟频率，把AHB总线的时钟4分频了一下，再看键盘的功耗：

降频之后的功率

又降了40%！虽然只有两点比较简单的改进，但是效果还是相当不错的，现在键盘的功率已经降到了60mW，试了试比我手上所有的USB设备都省电，就先这样吧！

完工

我们的键盘基本上完工了，总结一下情况吧：
主控：STM32F103RET6
代码量：< 500 行（不含自动生成代码）
接口：MiniUSB，SWD接口
按键：61键，国产红轴，Fn组合键类似HHKB
源码：https://github.com/thelxz/xzkb
电路PCB：https://github.com/thelxz/xzkb_pcb

键盘外观

因为只有周日有时间，改装键盘的过程前前后后经历了好几周，但是收获还是很多的，了解了USB协议，学会了KiCAD，抢救了一下我的动手能力，也完成了我们最初的目标：HHKB再也不用来回带了。
现在这个键盘已经成为在家的主力键盘了。