【灌水无罪】老机械键盘改造USB，QWERTY/Dvorak一键切换

miaozhuang

4 a7 {; o* W0 H$ C& v9 \http://bbs.eeworld.com.cn/forum. ... digest%26digest%3D1
这个DIY项目的想法已经有很久了，如今终于达到了的设计的初衷。要体现“任性”的特点，先介绍背景吧。

' L5 c+ _& \. a4 b1 i在看这个帖子的诸位一定都在用计算机键盘吧。键盘上的数字键是1到9从左至右排列，或者是右小键盘区那样三个一排有序排列，反正规律很明显。但是字母键却不是A,B,C...到Z这么按字母序有规律地排下来的。我刚接触电脑(其实还是学习机)的时候，没在意这个问题，觉得是要盲打嘛，反正对两手的手指头来说，按字母序排列并没有什么好处。于是用多了这些排列也就记住了，从来不管它为什么要这样。其实，PC的键盘键位排布上是延用了打字机的键盘，这是设备演变过程中很自然的一个延续。打字机的历史就要早很多了，我没有亲见过打字机长什么样，而且，咱们汉字是铅字打上去的，和英文打字机方式完全不同。

% w- d& S! m% g. W& a
1 b  }6 M, T' I: k上面这个照片(来自wikipedia)，是"Sholes and Glidden Type-Writer."，第一个获得成功的商用打字机(1873)。请注意它的键盘字母键排列。

$ A7 ?0 `$ |7 P( c/ \0 |为什么得到这样一个字母排列？在当时的确经过了多次的优化改进，因为打字机是机械的动作，要尽量避免连续的击键引起冲突。结果是因为商业上的成功，QWERTY这个布局也跟着被越来越多的制造商吸收采用。在非英语语言的键盘上，个别键位可能不同，属大同小异了。最早的IBM PC键盘：
% Q( b5 y. {; h6 O
/ J1 @$ L- H: @0 }其实在电传动打字机问世之后，打字键盘的键位布局就可以自由了。但是QWERTY的流行没有被改变——习惯的力量是强大的。虽然是大众所接受，QWERTY也有被人诟病的地方，比如说左右手分配不平衡，在英语里面单独用左手能打出来的单词远比单独用右手的多。那么，除了QWERTY还能用啥？在ANSI标准里面还有另外一个键盘布局，叫做DVORAK.
Dvorak(德沃夏克)布局，是以其发明人之一: August Dvorak 的姓命名的。在20世纪30年代，Dvorak 和 Dealey 在他们多年的研究工作基础上发明了Dvorak布局，目标是减少打字出错几率、提高速度和减少手的疲劳。最初发明的布局是这个样子：

. W$ g! C) p6 n, f& I1 ]3 SDvorak布局的最明显特征是让使用频率最高的键安排在中间的一排(Home row)，这样手指不用移动就触得到。当然还有左右手均衡的设计等等。尽管不是所有人都同意Dvorak布局能够比QWERTY布局提高键盘输入的效率，最快打字速度的记录的确是在Dvorak键盘上创造的。

我是经常要写代码的人，对键盘要求比较高，一定要顺手。从1998年拥有电脑开始，第一块键盘用了5年，实在是塑料结构磨损严重了才换了。第二块键盘用了大概也有5年，第三块是淘宝买到的和第二块同样的。除了手感，我对键盘还有个挑剔是要大回车键(老键盘惯出来的)。到了用上笔记本电脑，键盘问题只能忍忍了。我最后买的一块Benq的”轻指飞扬"绝版键盘因为是USB，作为笔记本键盘替补一直保留到现在。

- m0 Y! j  R9 E到2012年下半年，我在淘宝发现了有“机械键盘”这东东，认识了Cherry MX轴。然后到2013年农历年后，我花一百多一点买了一块老旧的国产青轴机械键盘，虽然很陈旧状态也差了，敲了一会儿我就发现：这就是我要的手感啊，一比起来用了多年的薄膜键盘简直太委屈手指了。我后来花了更多的钱买了新的轴(就是机械键盘的开关)来更换修复，使之成为上班工作用。
" @" m) ], V$ Q4 r. b. s2 z
* H0 U* Y$ }. R% m( I+ e2 ?机械键盘用着爽，后来我发现手指别扭的地方了，跟QWERTY键盘布局有关系。了解了Dvorak布局之后，我下定决心，换用Dvorak. 这个过程很漫长，大约是一年以后才抛开了QWERTY根深蒂固的影响。到如今两年多，我也没有肯定我的输入速度是否达到自己曾经QWERTY时候最快的水平，不过可以肯定的是换了Dvorak，手指头是舒服了。借个图说明两种布局的差别：
  t' z% k5 ?; r* @3 H
----------------------------------------------------  分割线 ----------------------------------------------------------
8 \0 R$ g3 o+ n
% m9 w9 X. X0 Z% U1 v+ W先是改造的对象，主角: 这已经是拆解出机械键盘中的PCB板+钢板，并且拆掉了全部的键轴之后的样子。这块键盘买来时的成色相当差，很脏，惟有键帽还不错，但原本的轴已进灰，状态差。

轴全部拆下来之后才能将钢板和PCB分离，不然是被卡住的。原来键盘里面的灰比照片上还多得多。注意到这块DIP40的芯片，就是键盘的主控。
( b2 M8 ]9 K0 `4 A, e( B' u
. ?( w2 D8 K! i/ T7 B特写，80C49
& B( `# }+ U- V5 C; F! ^4 a
LED部分，使用了一片D触发器锁存指示灯状态.
& G5 J7 k7 j! c$ A7 I
暴力破坏，将80C49拆掉
8 L- q  V% T3 x! k1 i) x
拆掉原来的键盘主控，我用什么顶替呢？没有引脚全兼容的单片机了，而且我要制作USB键盘，所以……STM32F072，做块一样大小的PCB. 因为主要是使用原有的键盘扫描矩阵，有些引脚是不需要连的。
- X2 H8 O) [+ _( s7 v1 k
5 v1 ^9 l) b( Y  g; _$ z焊好元件后的板子，准备替换80C49

用剪下的电阻腿作连接吧，对好位把引脚都焊上。STM32F0的SWD接口务必要留出来下载程序的。

这是在软件开发当中调试的场景。USB线需要飞线，因为原来的键盘PCB上就没有USB.
  C8 \6 U2 K) _: r/ a
- a0 v/ l" q5 z1 W4 n* \* R  J) l开始安装钢板，主键区焊上全新的Cherry MX茶轴(2.5 RMB一颗)。F区暂且空着，因为使用频率不高，换新轴就显得浪费了，等下再把部分旧轴清洗一下装回去。

- ~8 y9 ^# c( [我设计的MCU PCB要在键盘PCB和钢板之间。除了SWD的引脚，把UART飞线出来供调试的不时之需。

主键区键帽就位

编辑键区也安装好，确认这里替换后不会有冲突。调试用的线和针脚以后是要拆掉的。

3 I! o) Q5 ?* r7 l8 _  b: M最后的组装，USB线，以及切换键盘布局的附加按钮。部分键轴还没有装，低优先级的。


# y0 S0 |. b, y& w8 W----------------------------------------------------- 分割线 --------------------------------------------------

3 C8 A1 R# g1 ]$ N% _. i( \
& R/ D& E! ~5 l9 Y; b
8 U. j/ z5 R+ c) X  T/ z
* |$ }& G: n: I/ E

5 r# S3 z. }( }0 N3 z2 l7 D" Q

2 E4 f) Q* Y8 C5 R) ]

: Y- R5 L2 _1 r. v2 n0 M& Y

miaozhuang

DIY过程直播完了，下面说硬件的设计。
- X3 ~7 G- H2 n+ N/ c" @2 p" a. \80C49是块MCU，貌似也就在PS/2键盘上面用。搜到其datasheet对引脚的定义：

  m: `5 b5 T6 d" H
4 X* v  s: N6 g, }) u其实最关心的还是键盘矩阵怎么接的，这个我就靠人肉了，在的PCB背面寻着每条扫描行或列线找，记录在草稿纸上。最终整理出来的结果是这样的：(最上边和最右边铅笔写的数字是引脚编号)
% j; k9 ?# z5 }- O

- J% [7 I& J6 p: `3 q+ B+ Y扫描矩阵是8x14的，最多可以支持112个按键，实际上只有101个键，空出了一些。对照上面那个引脚定义，可以把用到的I/O口确定了。除了电源引脚，剩下还有几个引脚使用到：PS/2的CLK和DATA占用2个，状态指示LED的电路占用1个，AT/XT开关使用了一个。我用STM32F072C8，有48个引脚刚好是够的，富余的I/O就飞线引出了。
' w; g/ o* J8 t3 ^( B) W
这是我设计的电路图：

/ x1 N) J# t2 j% C! \, I& j
PCB Layout:

4 h+ W+ N  Q( p& F, G. V8 y2 X' v
不从80C49引脚上走的信号包括: SWD接口，USB D+/D-，USART TX/RX，额外两个可用I/O.
) a) q6 b" m9 O' ^  G; n

miaozhuang

! x1 D* R/ T. \4 s1 ?& S软件上的工作比硬件多得多。因为想改造成USB键盘，不得不把USB HID的实现稍微看懂一下。PS/2模式硬件上也是保留的，暂时我还没去写软件。

4 I6 M1 L0 J4 Z- c0 h8 w* @* ^总结一下，USB HID键盘需要使用两种HID报告：一是从设备到主机的，按键状态的报告，8字节；二是主机到设备的，指示灯状态的报告，1字节。第一个报告我使用EP1(Endpoint 1, 端点1)来发送，中断传输；第二个报告就使用默认的EP0，控制传输。USB的描述符，可以从现有的USB键盘上修改而来。下面是用USBTreeView这个工具查看到的的我的这个键盘的描述符：


2 a" v/ H1 y# |5 j. C  a$ V  l" O其中USB报告描述符我没完全看懂，copy了现成的（这个也没必要自己重新写嘛）

USB的中断ISR，bare metal哦

9 ]$ _8 m. Y% I; hvoid USB_IRQHandler(void)
{
/ a# n4 w; Q5 Q& y3 g) m    if(USB->ISTR & USB_ISTR_CTR)
    {
3 m/ o* }4 U, J7 V" E" g7 p        if((USB->ISTR & 0x0f)==0)   // EP_ID==0
* R2 F- G( Z' B# H        {
( x; Q- V& [9 y( Q9 a' t# D- o            switch(ep0_state)
            {
                case 0: ep0_state |= 0x80;
                        break;
                case 1: if(USB->EP0R & USB_EP_CTR_TX)
                        {
) ~- a7 R% \, i! A5 d                            USB->EP0R = USB_EP_TYPE_CONTROL|USB_EP_STAT_RX0;
                            ep0_state=3;
$ l' Y4 Q! h; |  p( ~                            return;
                        }
                        else
1 h3 e7 O) J9 ~. F8 I% f( i                            ep0_state=0;
3 v+ C; d" E" P& D5 ], J9 f3 b                        break;
/ F9 u, h3 Q7 K3 z                case 2: if((USB->EP0R & USB_EP_SETUP)==0)   // OUT packet
                            ep0_state |= 0x80;
                        else
7 C4 U1 l5 V- E9 b                            ep0_state=0;
4 g0 E3 a* P+ f                        break;
                case 3: ep0_state=0;
7 t& {$ [8 U* m/ P                        break;
+ X" t0 X  z: P8 m                case 4: ep0_state=0;
( [4 p8 b: f  Q% `* `                        break;
                default:ep0_state=0;
                        break;
* y+ X) W; i8 F9 ~4 P7 E2 ?            }
            USB->EP0R = USB_EP_TYPE_CONTROL; // just clear flag
            return;
        }
6 _7 y7 V9 W# N$ [2 `* }        else    // EP_ID can be 1
1 ~4 X5 R' C/ i, N2 p( s8 c        {
            USB->EP1R = USB_EP_TYPE_INTERRUPT|1; // just clear flag
; V8 c3 }: p. k$ b' P. C8 K5 V0 C' [9 L" R            ep1_wait=0;
  m  c: W# P2 z+ R8 w, y! x' g            return;
/ X9 }( B2 `! i2 U        }
$ M9 i  W0 z' R# j  \1 s1 r$ ?    }
    if(USB->ISTR & USB_ISTR_PMAOVR)
" M3 Z$ O5 w4 @( x6 k6 ]7 f0 ?7 d    {
9 }0 J  S4 ^0 s$ R4 o; y. y; @: T        USB->ISTR = ~USB_ISTR_PMAOVR;
% U' Z/ d% K+ D- P! R+ x% R+ r    }
, h* P' E$ L+ @    if(USB->ISTR & USB_ISTR_ERR)
: t3 r1 ~" W: q! A7 s    {
        USB->ISTR = ~USB_ISTR_ERR;  // write 0 to clear
    }
- Z0 A. {$ q1 Y: ?7 `: m: i" G' p    if(USB->ISTR & USB_ISTR_WKUP)
( q; f% ]- R. g; Y  h    {
        USB->CNTR &= ~USB_CNTR_FSUSP;   // no suspend
8 H4 P6 C- z& _8 E& T, T7 }        USB->ISTR = ~USB_ISTR_WKUP; // write 0 to clear
    }
    if(USB->ISTR & USB_ISTR_SUSP)
) @5 ~9 l% ]" R& b7 U$ |1 a- X    {
% t' x* A& ?6 z/ X2 p. v1 U        USB->CNTR |= USB_CNTR_FSUSP;    // force suspend
  M' ^! d; k* S9 ?! Q" N2 a) p7 N2 n" b' \        USB->CNTR |= USB_CNTR_LPMODE;   // low power
        USB->ISTR = ~USB_ISTR_SUSP; // write 0 to clear
    }
0 {( o  ~, v: z    if(USB->ISTR & USB_ISTR_RESET)
    {
        USB->BTABLE = 0;    // buffer table at bottom of PMA
+ \0 \& e6 e; ]# A        USB_PMA[0]=128; //ADDR0_TX
        USB_PMA[1]=0;   //COUNT0_TX
/ B# o& t0 d* j, {4 c% \        USB_PMA[2]=256; //ADDR0_RX
        USB_PMA[3]=0x8000|(3<<10);  //RX buffer 128 bytes
+ {7 C8 {9 ~$ V5 F3 \2 f: h        USB->EP0R = USB_EP_TYPE_CONTROL|USB_EP_STAT_RX1;
5 \2 ], _: T/ x! f* f$ _- Y        ep0_state=0;
6 C" N0 |" \! s8 ?        USB_PMA[4]=384; //ADDR1_TX
- z  R- ^8 J: y9 q3 k- a$ o8 W$ K        USB_PMA[5]=0;   //COUNT1_TX
. a; P1 ]- t" R- \/ W" ?        USB->EP1R = USB_EP_TYPE_INTERRUPT|1;    // EP1 type
# P1 d6 a( Z& p. G* m& {3 W  A# V2 G        ep1_wait=0;
+ @' ~1 M1 H, y7 V0 R        USB->DADDR = USB_DADDR_EF;      // enable function
        USB->ISTR = ~USB_ISTR_RESET;    // write 0 to clear
/ y7 l: f# X: X2 Q+ N! l( m) Q, m    }
8 C- {3 n# D5 X, Z    if(USB->ISTR & USB_ISTR_SOF)
9 R9 X- y8 N& s) T/ w* ^( f! F6 n    {
# o3 X. k6 w8 J7 W- G5 H! P' E2 @+ O        USB->ISTR = ~USB_ISTR_SOF;  // write 0 to clear
    }
+ n4 u2 y2 v' H# M/ E5 @- ^5 H}
( ?( B- G$ N7 a. O" U
因为只有两个EP需要管，数据量也很小，STM32F0的PMA(Packet Memory Area)固定分配好就不动了，读写数据都直接在PMA上读写。在USB Reset中断的时候，把PMA和EP都重新初始化。
+ v- `2 @# I8 s  m- B
主程序中用一个无限循环，每次中断过后处理一下USB请求，以及来自键盘扫描的检测。

    while(1)
0 S. [7 @1 a! U7 z4 v) l6 L* g    {
        static char row=0;
        __WFI();
* [6 p6 S  o, ~; Z        if(ep0_state & 0x80)    // request data processing
        {
4 G& [- C3 |& ~  Q1 T) h/ D            if(ep0_state==0x80) // SETUP phase
% X% c  x/ f9 u4 O+ Y            {
                if(!setup_packet_service())
$ s0 d" L% O8 r- U/ v0 T# W, h. F                {
                    ep0_state=0;
  j- l" v/ e4 w. q% R6 Z                    // not supported
                }
                // ep0_state should be set to 1 or 2, if processed
: `( R4 p* O/ d+ l+ D            }
            else    // OUT phase
$ M0 c4 ~: ~! G# O( Y            {
" l  o; t2 P; v( \                // process data
# l( t% W/ n! R7 v8 ]" p                show_LED(*(uint8_t *)(USB_PMA+128));
! ?2 Y- a. a" L( }                ep0_state=4;
5 p" M. s/ k# \% I( h; |                USB_PMA[1]=0;       // Zero length DATA0
                USB->EP0R = USB_EP_TYPE_CONTROL|USB_EP_STAT_TX0;
4 W. C8 ]6 w# U, q  @8 H            }
5 z. o2 W0 ]/ d6 g3 u        }
5 U; U3 o% w# O3 m. I$ O        else
        {
# t! U. ^/ Z) S8 G, i; k9 S            if(usb_address && ep0_state==0)
4 r* E1 c$ B! g4 i            {
) z7 N. t& u: [. p7 s                USB->DADDR = USB_DADDR_EF|usb_address;
                usb_address=0;
: v( r4 C: M! r$ g8 R, `            }
2 Y1 U5 R9 D, V" t. K$ @        }
        if(row!=scan_row)   // new scan line
        {
2 `# g* P# O8 T) N7 Y9 ]            if(key_state[row]!=prev_key_state[row])
6 i. O2 T+ ^8 r8 Y+ y2 z            {
4 M; p6 S" Y7 S+ N9 _5 Z                uint8_t test=0x80;
4 h& S  v1 |4 J; G  A                uint8_t diff=key_state[row]^prev_key_state[row];
3 E7 o$ z. K3 g( i$ `4 I                for(i=0;i<8;i++)
9 M9 _6 ^$ m& `& ]/ }: g                {
6 z+ B6 K" f% N* N% s& \                    if(diff & test)
                        update_key_matrix(row,i,key_state[row]&test);
                    test>>=1;
                }
            }
            row=scan_row;
5 t$ v$ d0 z6 [; g5 W' U; U, U3 Y        }
7 {3 r; C( B: g/ j* c$ ~    }

* j9 i# X3 h$ `' J0 w# W& V
EP0的控制传输，把用到的请求处理一下
$ a1 q9 L4 [% u4 f/ J+ Echar setup_packet_service(void)
{
    if(ep0_std_req->bmRequestType & 0x20)   // class-specific
    {
: R/ n) n( a; Y        switch(ep0_std_req->bRequest)
        {
: B# w# L4 d  G0 _            case REQ_GET_REPORT: break;
: U9 P5 S8 v2 _: y) v" a3 L            case REQ_GET_IDLE:
; e5 Z" b% w- B! F2 y9 \* c% Z. S                USB_PMA[64]=0xfa;   // return 1 byte
$ y3 ]% m" _7 ~8 Q$ `4 Q                USB_PMA[1]=1;
                USB->EP0R = USB_EP_TYPE_CONTROL|USB_EP_STAT_TX0;
6 |0 k. ]( l  o/ _4 v# q                ep0_state=1;
                return 1;
                break;
            case REQ_SET_REPORT:
                USB->EP0R = USB_EP_TYPE_CONTROL|USB_EP_STAT_RX0;
                ep0_state=2;
                return 1;
                break;
2 ^* V; _( W4 r* N- _2 L            case REQ_SET_IDLE:
                USB_PMA[1]=0;   // Zero DATA
0 b0 V9 F2 d( Z, J% O: O/ ?                USB->EP0R = USB_EP_TYPE_CONTROL|USB_EP_STAT_TX0;
# P3 K3 e: r4 \) N. Y3 ~3 _                ep0_state=4;
                return 1;
/ R$ [* P1 u4 d( e3 O# o                break;
        }
        return 0;
    }
    else    // standard
8 X* ?! b3 D) r9 f0 a& D    {
' l1 i4 t) d6 k* X, `8 M8 l        switch(ep0_std_req->bRequest)
. h1 d$ f( z* M        {
            case REQ_GET_DESCRIPTOR:
8 x* k4 H% V4 o! z4 w& T, d                return descriptor_service();
; ]" o8 o2 z: \3 G. I4 `# u                break;
  P: |4 ~9 m, W3 w4 T" c% l3 f            case REQ_SET_ADDRESS:
4 d) e. v5 D6 |2 h# [  p. L                if(ep0_std_req->bmRequestType!=0x00)
  o2 K2 d5 f& I' d4 d                    return 0;
  i; u; C) _1 i9 Y! D0 Z3 m                usb_address=ep0_std_req->wValue;
                USB->EP0R = USB_EP_TYPE_CONTROL|USB_EP_STAT_TX0;
                USB_PMA[1]=0;       // Zero length DATA0
! U( [% J1 v$ P- e                ep0_state=4;    // No Data phase
3 o. ^  Y2 |0 K& U" P! l0 V/ T                return 1;
            case REQ_SET_CONFIGURATION:
) E$ s5 H  g2 ?$ b6 h5 {0 y$ O: }' |                if(ep0_std_req->bmRequestType!=0x00)
                    return 0;
                USB->EP1R = USB_EP_TYPE_INTERRUPT|USB_EP_STAT_TX1|1;
                USB->EP0R = USB_EP_TYPE_CONTROL|USB_EP_STAT_TX0;
                USB_PMA[1]=0;   // Zero DATA
0 |3 N& c) E# k0 U                ep0_state=4;    // No DATA phase
0 }3 j4 Q0 {; g4 Z( D9 p                return 1;
            default: return 0;
2 k& _) t8 b2 S% q( q( ]( E" d9 J8 r        }
: l0 _) K9 f' ^( f    }
}

3 V) N9 X6 K5 z/ j

miaozhuang

各种描述符，是USB开发首先要处理的
  L! r- Y) b# O0 Hchar descriptor_service(void)
3 D& f7 x% I: d% \3 K+ {/ P# D" w/ J{
3 x. V! B2 w* j, @, U! G    switch((ep0_std_req->wValue)>>8)
    {
        case DESC_TYPE_DEVICE:
. @) h8 w5 U; y- r. a& Y; r            return ep0_preparedata(&DevDesc, sizeof(DevDesc));
! ~9 `/ U+ k% l1 a# t8 g- i( W, {            break;
" D* h3 a1 v  N2 o- L* D& x  l        case DESC_TYPE_CONFIG:
0 B: x- J) d6 b1 Z9 h$ F  b            if(sizeof(ConfigDescData)>ep0_std_req->wLength)
8 }3 I2 w" ~% h8 V                return ep0_preparedata(&ConfigDescData, ep0_std_req->wLength);
            else
                return ep0_preparedata(&ConfigDescData, sizeof(ConfigDescData));
# g8 U; u- n9 P( s5 s! f            break;
        case DESC_TYPE_STRING:
            switch(ep0_std_req->wValue &0xff)
            {
0 ?  p' q- U) d( n6 T1 ~/ \! q                case 0 : return ep0_preparedata(&LangIDDesc, sizeof(LangIDDesc));
                case 1 : return ep0_preparedata(&UnicodeVendorDesc, sizeof(UnicodeVendorDesc));
& E! c! i/ y9 y7 Q5 T% o5 D                case 2 : return ep0_preparedata(&UnicodeProdDesc, sizeof(UnicodeProdDesc));
$ [: }, l4 o$ l8 m9 P) j  \, f9 K                default: return 0;
4 Z, q2 N% }0 H+ ~            }
            break;
        case REPORT_DESC_TYPE:
            return ep0_preparedata(&HidReportDesc, sizeof(HidReportDesc));
/ }6 O& n7 K/ [* U$ Q7 _1 a        default:
) h5 y0 E+ T' M2 @9 G            return 0;
    }
}
下面说下我对键盘的处理。因为有14+8条线，其中8条一组我称为列，用PA0~7读取；另外14条我称为行，在一个时刻只有1条为低电平(输出)，其它13条为高阻。在列扫描线上加上上拉，因此没有键按下的时候，PA0~7都是高电平的。若某键被按下，当在所在的行被扫描时，对应的列就会变成低。我用了Timer6中断，每0.5ms切换一次扫描线，这样扫描一遍矩阵键盘用7ms.
8 v9 j9 S) r+ G- R9 O/ Q/ wvoid TIM6_DAC_IRQHandler(void)
{
    __IO uint8_t *PA_IDR = (uint8_t *)&(GPIOA->IDR);

$ ?% d# P- M1 Q/ \- A" t0 e
( i; T# C) M  r+ C$ }* O% e8 A    TIM6->SR &= ~TIM_SR_UIF;
    prev_key_state[scan_row]=key_state[scan_row];
5 x. r# ]# s3 v" ?3 N    key_state[scan_row]= *PA_IDR;   // update key states
    switch(scan_row)
    {
4 Q" P. ^4 _0 X) a6 N9 Y. }        case 13: // next row PB14
                GPIOC->MODER = GPIOC_DEFAULT;
                GPIOB->MODER = GPIOB_DEFAULT|GPIO_MODER_MODER14_0;
                break;
        case  0: // next row PB15
                GPIOB->MODER = GPIOB_DEFAULT|GPIO_MODER_MODER15_0;
                break;
        case  1: // next row PB3
                GPIOB->MODER = GPIOB_DEFAULT|GPIO_MODER_MODER3_0;
( a) k( `" Z& o% ^! T: T6 h                break;
4 P6 c& W8 `, m! Y        case  2: // next row PB4
- z3 N' |; M/ z- _/ B# W8 X; C                GPIOB->MODER = GPIOB_DEFAULT|GPIO_MODER_MODER4_0;
                break;
        case  3: // next row PB5
" B4 d# v$ O% {0 L! c" r                GPIOB->MODER = GPIOB_DEFAULT|GPIO_MODER_MODER5_0;
9 o; ]7 ?/ B5 w8 w                break;
        case  4: // next row PB6
  L2 p2 `0 p+ z                GPIOB->MODER = GPIOB_DEFAULT|GPIO_MODER_MODER6_0;
- ^: S6 O) l! r: @) L                break;
: i0 n7 ?$ V. O) O/ C& N        case  5: // next row PB7
                GPIOB->MODER = GPIOB_DEFAULT|GPIO_MODER_MODER7_0;
                break;
% g/ r9 ?8 k2 n0 L2 c        case  6: // next row PB8
                GPIOB->MODER = GPIOB_DEFAULT|GPIO_MODER_MODER8_0;
. D1 S/ s7 m- T+ y                break;
        case  7: // next row PB9
                GPIOB->MODER = GPIOB_DEFAULT|GPIO_MODER_MODER9_0;
                break;
4 K/ I- R6 _5 t3 C! d  P- j0 l        case  8: // next row PA8
                GPIOB->MODER = GPIOB_DEFAULT;
5 D! F0 g" h( `8 H2 ?# ^5 g                GPIOA->MODER = GPIOA_DEFAULT|GPIO_MODER_MODER8_0;
                break;
+ B3 U7 L  J9 L  r        case  9: // next row PA9
% A8 l* t2 j" M2 ^( z                GPIOA->MODER = GPIOA_DEFAULT|GPIO_MODER_MODER9_0;
                break;
3 ~) E) E/ N8 g% r" H        case 10: // next row PA10
                GPIOA->MODER = GPIOA_DEFAULT|GPIO_MODER_MODER10_0;
" ]. S+ D; [& y                break;
        case 11: // next row PA15
$ ]! m4 x$ J  x& E& O0 ~. d% P4 }                GPIOA->MODER = GPIOA_DEFAULT|GPIO_MODER_MODER15_0;
) a; X$ w$ ^( Z9 L4 Q# P                break;
0 }. M# r7 ]' O/ J        case 12: // next row PC13
                GPIOA->MODER = GPIOA_DEFAULT;
" [# j3 H& }  h$ V' D/ Q) Y7 v; L                GPIOC->MODER = GPIOC_DEFAULT|GPIO_MODER_MODER13_0;
1 P  I# I$ E8 g' d7 `6 P  t                break;
/ P) k3 \, S. u9 r: G+ z1 m    }
    if(scan_row<13)
        scan_row++;
! ^- g/ m" i! o2 V% {7 M" H    else
        scan_row=0;
}

' f0 q$ }3 H' }0 j

miaozhuang

+ T5 Z4 {% \! X9 M# g$ E4 z扫描的状态被Timer 6 ISR记录在 key_state[] 数组当中，上一次的状态保存为 prev_key_state[]. 这样在主程序中只要比较这两个数组，就知道是否键盘的状态有变化了。有变化（按下或者抬起）的时候，再调用 update_key_matrix() 函数去生成USB HID报告。
7 n$ x0 c8 ~5 n7 V; X- f5 E: g- f
要从键盘的扫描行、列坐标得到按键的编码（此处不是ASCII，也不是PS/2的键盘扫描码，而是USB HID定义的键盘Usage ID），需要用到查找表。我需要切换Dvorak和QWERTY两个布局，因此需要准备两个查找表：

6 s. p- c- r( e; h
: v* P# K  g  Qconst char hid_keymap_qwerty[14][8]={
& V! i5 F6 Q0 k9 K    {HK_RShift, HK_NONE, HK_NONE, HK_A, HK_R, HK_7, HK_F9, HK_Esc},
8 p5 b1 _8 k  ]  J" r    {HK_F12, HK_BS, HK_Up, HKR_Slash, HKR_Aster, HK_NONE, HKR_Enter, HK_NONE},
    {HK_Period, HK_V, HK_BSlash, HK_J, HK_P, HK_Q, HK_4, HK_F6},
0 }% F1 e# p5 A% Y2 q    {HK_Comma, HK_C, HK_Quote, HK_H, HK_O, HK_Equal, HK_3, HK_F5},
    {HK_M, HK_X, HK_Colon, HK_G, HK_I, HK_Minus, HK_2, HK_F4},
4 {- ^, y/ U- ^! @    {HK_LShift, HK_NONE, HK_Caps, HK_F, HK_U, HK_0, HK_1, HK_F3},
( U3 t9 @+ F0 s$ }+ Y7 h0 k. V    {HK_Scroll, HK_LAlt, HK_RCtrl, HK_D, HK_Y, HK_9, HK_BQuote, HK_F2},
9 L9 A% L" U6 q7 x/ g4 {* [4 u    {HK_NONE, HK_RAlt, HK_LCtrl, HK_S, HK_T, HK_8, HK_Enter, HK_F1},
    {HK_PgUp, HK_Home, HK_Insert, HKR_5, HKR_6, HKR_4, HK_F10, HKR_Dot},
    {HK_Right, HK_Down, HK_Left, HKR_Num, HKR_Plus, HK_NONE, HK_NONE, HK_NONE},
* |8 G& ?* X7 |% V1 V! }+ y- l    {HK_PgDn, HK_End, HK_F11, HKR_9, HKR_Minus, HKR_8, HKR_7, HK_NONE},
    {HK_Space, HK_N, HK_Z, HK_L, HK_RBr, HK_E, HK_6, HK_F8},
/ }2 H: \0 K" o( a    {HK_Slash, HK_B, HK_Delete, HK_K, HK_LBr, HK_W, HK_5, HK_F7},
    {HK_Pause, HK_Tab, HK_PrtScr, HKR_2, HKR_3, HKR_1, HKR_0, HK_MODE}
};
( F" v( N" j9 f; F& P. e
, ?! g, L* [7 y% c* `
const char hid_keymap_dvorak[14][8]={
    {HK_RShift, HK_NONE, HK_NONE, HK_A, HK_P, HK_7, HK_F9, HK_Esc},
    {HK_F12, HK_BS, HK_Up, HKR_Slash, HKR_Aster, HK_NONE, HKR_Enter, HK_NONE},
1 k$ f8 m! `2 {0 s& Q1 r    {HK_V, HK_K, HK_BSlash, HK_H, HK_L, HK_Quote, HK_4, HK_F6},
- L: \0 T/ P! S4 T4 ]# Y, L    {HK_W, HK_J, HK_Minus, HK_D, HK_R, HK_RBr, HK_3, HK_F5},
    {HK_M, HK_Q, HK_S, HK_I, HK_C, HK_LBr, HK_2, HK_F4},
    {HK_LShift, HK_NONE, HK_Caps, HK_U, HK_G, HK_0, HK_1, HK_F3},
- d% F4 q& c% d. ]6 X; w5 s1 J    {HK_Scroll, HK_LAlt, HK_RCtrl, HK_E, HK_F, HK_9, HK_BQuote, HK_F2},
7 L+ I0 s  A, a# \$ l4 L, b4 _" j, j    {HK_NONE, HK_RAlt, HK_LCtrl, HK_O, HK_Y, HK_8, HK_Enter, HK_F1},
    {HK_PgUp, HK_Home, HK_Insert, HKR_5, HKR_6, HKR_4, HK_F10, HKR_Dot},
( f, [( D6 h7 k6 ]# b    {HK_Right, HK_Down, HK_Left, HKR_Num, HKR_Plus, HK_NONE, HK_NONE, HK_NONE},
    {HK_PgDn, HK_End, HK_F11, HKR_9, HKR_Minus, HKR_8, HKR_7, HK_NONE},
. q1 u* G: C! _1 j6 [& p    {HK_Space, HK_B, HK_Colon, HK_N, HK_Equal, HK_Period, HK_6, HK_F8},
& F) H" I+ R1 R) g" f& E8 T' M' ~# i    {HK_Z, HK_X, HK_Delete, HK_T, HK_Slash, HK_Comma, HK_5, HK_F7},
    {HK_Pause, HK_Tab, HK_PrtScr, HKR_2, HKR_3, HKR_1, HKR_0, HK_MODE}
};

; \( `, q6 o( X) o$ S- I, f
上面的宏定义另写在 translate.h 头文件中。HK_NONE是没有实际按键的位置，HK_MODE是我另外加的一个键，用来切换两个键盘布局。这个“一键切换”的键加装，可以用原来键盘上的AT/XT开关，也可以用我预留的User I/O，做到后来发现用键盘矩阵的空闲位置更方便。

HID报告的8个字节，第一个是8个特殊键的状态(Shift, Alt, Ctrl, GUI)，第二个保留，后6个每个非0值是一个按下的键的Usage ID. 产生HID报告的子程序：

7 W( h% ^! f" E# Hvoid update_key_matrix(char row, char col, char onoff)
{
# J2 f! c* _8 x0 b% \" A5 N    static uint16_t hid_report[4]={0,0,0,0};
    static char (*hid_keymap)[8]=hid_keymap_dvorak;

2 d; X1 {$ u1 I$ t5 K) U
    unsigned char key=hid_keymap[row][col];
    unsigned char *report =(unsigned char *)hid_report;
    char i;
$ }/ Q' q* g+ H0 Q0 }

    if(key==HK_MODE)
    {
1 P/ }5 O2 }+ j$ F        if(!onoff)
        {
+ E, ]9 t$ h; R$ W! S            if(hid_keymap==hid_keymap_dvorak)
* y/ e0 H1 l& j            {
                hid_keymap=hid_keymap_qwerty;
. M! Y2 \6 m, w* M  d% Y' {                GPIOB->BSRR = (1<<2);
            }
& Y) E# P9 j. m6 \' L            else
            {
* ^& O: a6 T( _: l7 G% B                hid_keymap=hid_keymap_dvorak;
                GPIOB->BRR = (1<<2);
            }
6 E+ r4 v" g* W( ?5 I- M        }
3 V3 Z  ^) ~! N; D; x! X        return;
    }
1 H4 T6 j4 Y- j/ }- l" }/ h5 q4 ]" l( F

2 q( _+ h: U& X+ }1 q. q/ K( m    if(key>=0x80)   // Alt, Ctrl, Shift
    {
3 R1 b4 [  e- j% o$ H: h( B        uint8_t bitset = 1<<(key&7);
# L! J& O$ D; R& u$ y  r/ ]6 E, Z        if(onoff)   // non-zero is key up
            report[0] &= (~bitset);
* P: e. s4 _% u9 ~( S  b        else
            report[0] |= bitset;
    }
    else
4 f5 c7 H/ S1 F% Y4 f    {
7 a) C& }6 X8 D% x        if(onoff)   // non-zero is key up
        {
            for(i=2;i<8;i++)
& D( _0 g6 S7 p% C8 c* |            {
                if(report==key)
) C4 m! k9 `1 [, w                {
+ c# J% c( A7 V/ |; C4 Y                    report=0;
                    break;
                }
            }
0 }5 o3 x% a' u/ {        }
        else
        {
- E  K1 W, t, b9 a2 ~2 b2 l            for(i=2;i<8;i++)
            {
5 d6 U8 n% }" E                if(report==key)
                    break;
                if(report==0)
" C. i5 V3 v: u' [1 }8 e. `1 V2 s                {
                    report=key;
$ `- O& `/ |& ]  C$ b                    break;
                }
7 A+ S9 K% ^- S4 g3 U/ T            }
5 e! w1 W# A( O( n        }
' A! u  M0 E- o* p0 D; s    }
    for(i=0;i<4;i++)
! i; o. N4 W2 j  ^* ]) l6 K        USB_PMA[192+i]=hid_report;
, ], H5 p" L2 G1 j1 ?: L    USB_PMA[5]=8;   //COUNT1_TX
    if(ep1_wait==0)
4 @# f; O( b* l    {
4 T+ ^5 ]$ K- T5 w        USB->EP1R = USB_EP_TYPE_INTERRUPT|USB_EP_STAT_TX0|1;
        ep1_wait=1;
    }
}
) \" }+ w8 B* n6 E. b" h, E  [8 ~
0 R, v) j4 |8 \
( D- ^. x3 |0 J* S( M2 t完整的程序在附件中。我这个程序没有使用任何USB的库函数，完全是从底层操作，这样对USB的工作细节可以了解得比较清楚，当然，也费了很多工夫啦。
keyboard.zip (8.7 KB, 下载次数: 6306)

2016-9-21 21:01 上传

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miaozhuang

在电子论坛上看到的，这对于改造键盘的小伙伴来说，提供了很大的帮助，步骤很详细，拆解换主控，设计pcb板，编写固件，看的是很过瘾。

网络孤客

刚开始我以为要把打字机改造成电脑键盘
) Z+ E* x2 E9 v# A5 I6 w) J, b( i8 N不过楼主也很厉害！

miaozhuang

网络孤客 发表于 2016-9-22 13:48
刚开始我以为要把打字机改造成电脑键盘
不过楼主也很厉害！

' }5 s7 S, m! ]' w" l哈哈  是有点像奥

Mr.Prince

很厉害
$ `# [' X( a6 E$ r( S5 B3 E8 m

thermoer

这个看着真硬核