srcmini本文概述
2007年8月的一天, 我忍不住意识到普通的PC键盘无法为我提供尽可能多的服务。我不得不在键盘的各个块之间过度动手, 每天要动动数百次(即使不是数千次), 而且彼此的手也不舒服。我想一定有更好的方法。
当我想到为开发人员定制最好的键盘时, 这种感觉随之而来, 给人以压倒性的兴奋感；后来, 我意识到, 作为一名自由嵌入式软件开发人员, 我对硬件毫无头绪。
当时, 我非常忙于其他项目, 但是一天没想到不打算构建黑客键盘。不久, 我开始将自己的空闲时间投入到该项目中。我设法学习了一套全新的技能, 并说服了我的一个朋友机械工程师ExtrarásVölgyi加入该项目, 召集了一些关键人员, 并花了足够的时间来创建工作原型。如今, 终极黑客键盘已成为现实。我们每天都在进步, 而且众筹活动即将启动。
从软件背景到对电子学一无所知, 再到设计和构建功能强大的适销对路的硬件设备, 是一种有趣而有趣的经历。在本文中, 我将描述该电子杰作的设计。对电子电路图的基本了解可以帮助你继续学习。
你如何制作键盘？
在将我的一生投入数千小时之后, 简短地回答这个问题对我来说是一个巨大的挑战, 但是有一种有趣的方式可以回答这个问题。如果我们从诸如Arduino板之类的简单事物开始, 逐步将其构建成为Ultimate Hacking Keyboard键盘, 该怎么办？它不仅应该更易于消化, 而且应该具有很高的教育意义。因此, 让我们的键盘教程之旅开始吧！
第一步：没有按键的键盘
首先, 让我们制作一个USB键盘, 该键盘每秒发出一次x字符。 Arduino Micro开发板是实现此目的的理想选择, 因为它具有ATmega32U4微控制器-AVR微控制器和UHK的大脑相同的处理器。
对于支持USB的AVR微控制器, 轻便的AVR USB框架(LUFA)是首选的库。它使这些处理器成为打印机, MIDI设备, 键盘或几乎任何其他类型的USB设备的大脑。
将设备插入USB端口时, 设备必须传输一些称为USB描述符的特殊数据结构。这些描述符告诉主机计算机所连接设备的类型和属性, 并由树结构表示。使事情变得更加复杂的是, 设备不仅可以实现一个功能, 而且可以实现多种功能。我们来看看UHK的描述符结构：
- 设备描述符
- 配置描述符
- 接口描述符0：GenericHID
- 端点描述符
- 接口描述符1：键盘
- 端点描述符
- 接口描述符2：鼠标
- 端点描述符
- 接口描述符0：GenericHID
- 配置描述符
大多数标准键盘只公开一个键盘接口描述符, 这很有意义。但是, 作为自定义编程键盘, UHK还公开了鼠标接口描述符, 因为用户可以对键盘的任意键进行编程以控制鼠标指针, 从而可以将键盘用作鼠标。 GenericHID接口用作通信通道, 以交换键盘所有特殊功能的配置信息。你可以在LUFA中看到UHK的设备和配置描述符的完整实现。
现在我们已经创建了描述符, 现在该每秒发送一次x字符了。
uint8_t isSecondElapsed = 0;
int main(void)
{
while (1) {
_delay_us(1000);
isSecondElapsed = 1;
}
}
bool CALLBACK_HID_Device_CreateHIDReport(USB_ClassInfo_HID_Device_t* const HIDInterfaceInfo, uint8_t* const ReportID, const uint8_t ReportType, void* ReportData, uint16_t* const ReportSize)
{
USB_KeyboardReport_Data_t* KeyboardReport = (USB_KeyboardReport_Data_t*)ReportData;
if (isSecondElapsed) {
KeyboardReport->KeyCode[0] = HID_KEYBOARD_SC_X;
isSecondElapsed = 0;
}
*ReportSize = sizeof(USB_KeyboardReport_Data_t);
return false;
}
USB是一种轮询协议, 这意味着主机会定期(通常每秒125次)查询设备, 以查找是否有任何新数据要发送。相关的回调是CALLBACK_HID_Device_CreateHIDReport()函数, 在这种情况下, 每当isSecondElapsed变量包含1时, 它将x字符的扫描码发送给主机。从回调到0。
第二步：四个键的键盘
在这一点上, 我们的键盘还不是很有用。如果我们可以实际输入, 那就太好了。但是为此, 我们需要按键, 并且按键必须排列在键盘矩阵中。完整的104键键盘可以包含18行和6列, 但我们仅需一个不起眼的2×2键盘矩阵即可启动。这是原理图：
这是在面包板上的外观：
假设ROW1连接到PINA0, ROW2连接到PINA1, COL1连接到PORTB0, COL2连接到PORTB1, 则扫描代码如下所示：
/* A single pin of the microcontroller to which a row or column is connected. */
typedef struct {
volatile uint8_t *Direction;
volatile uint8_t *Name;
uint8_t Number;
} Pin_t;
/* This part of the key matrix is stored in the Flash to save SRAM space. */
typedef struct {
const uint8_t ColNum;
const uint8_t RowNum;
const Pin_t *ColPorts;
const Pin_t *RowPins;
} KeyMatrixInfo_t;
/* This Part of the key matrix is stored in the SRAM. */
typedef struct {
const __flash KeyMatrixInfo_t *Info;
uint8_t *Matrix;
} KeyMatrix_t;
const __flash KeyMatrixInfo_t KeyMatrix = {
.ColNum = 2, .RowNum = 2, .RowPins = (Pin_t[]) {
{ .Direction=&DDRA, .Name=&PINA, .Number=PINA0 }, { .Direction=&DDRA, .Name=&PINA, .Number=PINA1 }
}, .ColPorts = (Pin_t[]) {
{ .Direction=&DDRB, .Name=&PORTB, .Number=PORTB0 }, { .Direction=&DDRB, .Name=&PORTB, .Number=PORTB1 }, }
};
void KeyMatrix_Scan(KeyMatrix_t *KeyMatrix)
{
for (uint8_t Col=0; Col<KeyMatrix->Info->ColNum; Col++) {
const Pin_t *ColPort = KeyMatrix->Info->ColPorts + Col;
for (uint8_t Row=0; Row<KeyMatrix->Info->RowNum; Row++) {
const Pin_t *RowPin = KeyMatrix->Info->RowPins + Row;
uint8_t IsKeyPressed = *RowPin->Name & 1<<RowPin->Number;
KeyMatrix_SetElement(KeyMatrix, Row, Col, IsKeyPressed);
}
}
}
该代码一次扫描一列, 并在该列中读取各个按键开关的状态。然后将按键开关的状态保存到数组中。在我们先前的CALLBACK_HID_Device_CreateHIDReport()函数中, 相关的扫描代码将根据该阵列的状态发送出去。
第三步：两半键盘
到目前为止, 我们已经创建了普通键盘的开始。但是在本键盘教程中, 我们的目标是先进的人体工程学, 并且鉴于人们有两只手, 我们最好将另一半键盘加入其中。
另一半将具有另一个键盘矩阵, 其工作方式与上一个相同。令人兴奋的新事物是两半键盘之间的通信。互连电子设备的三种最流行的协议是SPI, I2C和UART。出于实际目的, 在这种情况下, 我们将使用UART。
根据上图, 双向通信向右流过RX, 流向左流过TX。 VCC和GND是传输功率所必需的。 UART需要对等方使用相同的波特率, 数据位数和停止位数。一旦建立了两个对等方的UART收发器, 通信就可以开始进行。
目前, 左半键盘通过UART向右半键盘发送一字节消息, 表示按键或释放事件。右键盘的一半处理这些消息, 并相应地控制内存中整个键盘矩阵阵列的状态。这是左键盘一半发送消息的方式：
USART_SendByte(IsKeyPressed<<7 | Row*COLS_NUM + Col);
右键盘接收消息的一半代码如下所示：
void KeyboardRxCallback(void)
{
uint8_t Event = USART_ReceiveByte();
if (!MessageBuffer_IsFull(&KeyStateBuffer)) {
MessageBuffer_Insert(&KeyStateBuffer, Event);
}
}
每当通过UART接收到字节时, 都会触发KeyboardRxCallback()中断处理程序。假定中断处理程序应尽快执行, 则将接收到的消息放入环形缓冲区中以供以后处理。环形缓冲区最终会从主循环中进行处理, 并且键盘矩阵将基于该消息进行更新。
上面是实现此目的的最简单方法, 但是最终协议会稍微复杂一些。必须处理多字节消息, 并且必须使用CRC-CCITT校验和检查单个消息的完整性。
在这一点上, 我们的面包板原型看起来非常令人印象深刻：
第四步：认识LED显示屏
我们使用UHK的目标之一是使用户能够定义多个特定于应用程序的键盘图, 以进一步提高生产力。用户需要某种方式来了解正在使用的实际键映射, 因此键盘内置了集成的LED显示屏。这是所有LED都点亮的原型显示器：
LED显示由一个8×6 LED矩阵实现：
每两行红色LED符号代表14段LED显示屏之一的段。白色LED符号代表另外三个状态指示灯。
为了驱动电流通过LED并点亮它, 相应的列设置为高电压, 相应的列设置为低电压。该系统的一个有趣结果是, 在任何给定时刻, 只能启用一列(该列上所有应点亮的LED均将其对应的行设置为低电压), 而其余列均被禁用。可能有人认为该系统无法使用全套LED, 但实际上列和行的更新速度如此之快, 以至于肉眼看不到闪烁。
LED矩阵由两个集成电路(IC)驱动, 一个驱动其行, 另一个驱动其列。驱动列的源IC是PCA9634 I2C LED驱动器：
驱动行的LED矩阵接收器IC是TPIC6C595电源移位寄存器：
让我们看一下相关代码：
uint8_t LedStates[LED_MATRIX_ROWS_NUM];
void LedMatrix_UpdateNextRow(bool IsKeyboardColEnabled)
{
TPIC6C595_Transmit(LedStates[ActiveLedMatrixRow]);
PCA9634_Transmit(1 << ActiveLedMatrixRow);
if (++ActiveLedMatrixRow == LED_MATRIX_ROWS_NUM) {
ActiveLedMatrixRow = 0;
}
}
LedMatrix_UpdateNextRow()大约每毫秒调用一次, 更新一行LED矩阵。 LedStates阵列存储各个LED的状态, 并根据来自右键盘一半的消息通过UART更新, 这几乎与按键/释放事件的方式相同。
整体情况
到现在为止, 我们已经逐步为自定义黑客键盘构建了所有必需的组件, 是时候看到大图了。键盘的内部就像一个小型计算机网络：许多节点相互连接。不同之处在于, 节点之间的距离不是以米或公里为单位, 而是以厘米为单位, 并且节点不是成熟的计算机, 而是微型集成电路。
到目前为止, 关于开发人员键盘的设备端详细信息已经说了很多, 但是关于主机端软件UHK Agent却说得很少。原因是, 与硬件和固件不同, Agent在这一点上非常初级。但是, 我想分享一下Agent的高级架构。
UHK Agent是配置程序应用程序, 通过该应用程序可以自定义键盘以满足用户需求。尽管是富客户端, 但Agent使用Web技术并在node-webkit平台上运行。
代理通过发送特定于设备的特殊USB控制请求并处理其结果, 使用node-usb库与键盘进行通信。它使用Express.js公开REST API供第三方应用程序使用。它还使用Angular.js提供简洁的用户界面。
var enumerationModes = {
'keyboard' : 0, 'bootloader-right' : 1, 'bootloader-left' : 2
};
function sendReenumerateCommand(enumerationMode, callback)
{
var AGENT_COMMAND_REENUMERATE = 0;
sendAgentCommand(AGENT_COMMAND_REENUMERATE, enumerationMode, callback);
}
function sendAgentCommand(command, arg, callback)
{
setReport(new Buffer([command, arg]), callback);
}
function setReport(message, callback)
{
device.controlTransfer(
0x21, // bmRequestType (constant for this control request)
0x09, // bmRequest (constant for this control request)
0, // wValue (MSB is report type, LSB is report number)
interfaceNumber, // wIndex (interface number)
message, // message to be sent
callback
);
}
每个命令都有一个8位标识符和一组特定于命令的参数。当前, 仅实现了re-enumerate命令。 sendReenumerateCommand()使设备重新枚举为左引导加载程序或右引导加载程序, 以升级固件或键盘设备。
人们可能不知道此软件可以实现的高级功能, 因此我仅举几例：代理将能够可视化各个按键的磨损并通知用户其预期寿命, 因此用户可以购买了几个新的钥匙开关, 以备即将维修。代理还将提供一个用户界面, 用于配置黑客键盘的各种按键映射和层。还可以设置鼠标指针的速度和加速度, 以及其他超级功能的负载。天空是极限。
创建原型
创建定制的键盘原型需要大量工作。首先, 必须完成机械设计, 该机械设计本身非常复杂, 涉及定制设计的塑料部件, 激光切割的不锈钢板, 精密铣削的钢制导板和将两个半键盘固定在一起的钕磁铁。在制造开始之前, 一切都以CAD设计。
这是3D打印键盘盒的外观：
基于机械设计和原理图, 必须设计印刷电路板。在KiCad中, 右侧PCB如下所示：
然后制作PCB, 并且必须用手焊接表面安装的组件：
最后, 在制造完所有零件, 包括3D打印, 抛光和上漆塑料零件并组装好所有零件之后, 我们最终得到了一个可行的黑客键盘原型, 如下所示：
总结
我喜欢将开发人员的键盘与音乐家的乐器进行比较。如果考虑一下, 键盘是相当私密的对象。毕竟, 我们一整天都在使用它们来逐字逐句地制作明天的软件。
可能由于上述原因, 我认为开发Ultimate Hacking Keyboard是一种特权, 尽管有许多困难, 但总的来说, 这是一段非常激动人心的旅程, 并且获得了难以置信的强烈学习经验。
这是一个广泛的话题, 我只能在这里进行介绍。我希望这篇文章很有趣, 并且充满了有趣的材料。如有任何疑问, 请在评论中让我知道。
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