不飞线---优雅复活主控挂掉的机械键盘

飞向狙沙

       18年得到一把主控挂掉的机械键盘，一开始打算拆轴，后来想修复，经历过stm32最小系统飞线修复，但是太丑，不想一把好看的键盘有一颗这么乱七八糟的芯，想美观不飞线要么就用原厂或引脚兼容单片机，这个搞不了，要么就用FPC做转接，但是以前的FPC打样价格太贵，都够买把全新键盘了，无解，就扔那吃灰了。

        最近看到立创FPC支持白嫖了，那就搞起来，想到手里还有STC送的STC32，决定支持下STC，使用STC32彻底重做，可以直接USB升级，不需要晶振，不需要LDO降压，就是这么妙。

功能需求：

• 标准键盘全功能
• 多媒体键盘全功能
• Win键锁定
• RGB背光（本次未实现，不是通用方案，懒得搞了）
• 密码本（FN组合键或者特殊组合键直接输出密码，想了想不太安全，不实现了）
• 1000回报率（可自定义，最高应该能到2000）
• 30ms滤波（可自定义）
  
  

        本次DIY稍作修改即可支持修复所有的主控损坏键盘，实际上也支持全新DIY一把机械键盘。

代码地址：https://gitee.com/feixiangjusha/lenovo-keyboard-mk300.git

第一步：硬件测量

       换芯修复键盘实际上比重新DIY还麻烦，需要兼顾原来的设计，需要检测按键引脚连接定义，对于带RGB的键盘还要检测RGB链接定义，更加复杂。N年前的第一版方案是通过万用表一点一点测量，相当苦逼，测了很久才测完。这次做了FPC转接板，直接重写了个按键扫描程序，只需要测量NumLock等指示灯的定义，剩下的按键引脚直接程序扫描完成。

       清理焊盘，测量特殊引脚定义，主要指USB接口，三个指示灯连接，电源脚，这个键盘的RGB灯用的I2C接口的IC控制，所以需要测量I2C接口的连接，然后通过观察引脚的焊盘连接确定几个空连接的引脚（Pin2Pin，不筛选出空连接的引脚IO可能不够用），如下图。

       确定了特殊引脚后就可以开始画PCB了，优先把特殊引脚连接好，其他引脚就近找最方便的引脚连接就行，后续按键连接通过程序扫描完成。画PCB可以使用小窍门，直接把键盘PCB的照片调整尺寸到实际大小然后通过立创eda的彩色丝印放置，方便原件定位。

       首次下载通过按下FPC上的P32按键试下进入下载模式，后续通过键盘上的组合键进入下载模式。拉出了txrx，用于调试。芯片位置4脚打孔，防止焊接时PCB焊接有错位导致的应力。

      白嫖的FPC到手，这里有个需要注意的地方，金手指尽量不要直接到边，保留0.2mm空间，不然激光切割的时候会导致碳化发黑，我就踩了这个坑。

       焊接完成，实际上只要焊TXRX两根线就行，或者通过USB口转接串口的话什么线都不用焊，看自己方便吧，我是拿公司折腾懒得带键盘所以先飞线了。

       调试完成后上键盘，清空飞线，背面贴点双面胶固定，正面也用704固定了下，完美。

第二步：按键定义扫描

       传统键盘按键连接都是以矩阵方式实现，机械键盘为了实现全键无冲或部分无冲可能会增加一个二极管，原理图如下：

没有增加无冲二极管的直接把上图二极管短接，实际连接千千万，原理都是这一种，此处约定存在无冲二极管的，二极管正极连接的IO为列col，负极为行row，不存在无冲二极管时行列随意。

      整理键盘PCB连接时使用到的连接除指示灯、RGB类特殊功能外的所有IO，打开keyboard.c文件,把整理后的IO放到这两个数组，IO顺序暂时无所谓，两个数组的IO不要重复，即任意一部分IO放到rowPins里，剩下的放到colPins里，注意ROW_NUM和COL_NUM的宏定义要按照实际数量调整，不然可能会出现意想不到的意外。

1. uint8_t rowPins[ROW_NUM]={GP11,GP47,GP14,GP21,GP22,GP23,GP42};
   
2. uint8_t colPins[COL_NUM]={GP27,GP04,GP03,GP45,GP02,GP00,GP46};

复制代码

       打开common.h文件，去掉//#define ENABLE_KEY_DEFINE_SCAN前边的注释,编译下载后连接TTL，监视串口，按下键盘任意键，串口会打印扫描到的连接定义，如串口显示press P11--P22表示按下的按键连接着P11和P22两个脚，不存在无冲二极管，如显示press P11->P22表示存在无冲二极管，P11需要放到列数组，P22放到行数组。在表格中记录每个按键的行列指示，即可整理出引脚连接情况。

第三步：引脚和键值调整

        按照整理出的引脚连接情况重新调整rowPins[ROW_NUM]和colPins[COL_NUM]数组里的引脚定义。同时按照表格里的按键调整keyMaps里的键值，同时检查FN键位置，调整common.h中FN对应的行列位置。

1. //FN键位置
   
2. #define FN_ROW_POS 8
   
3. #define FN_COL_POS 2

复制代码

       到此按键扫描工作完成。

第四步：多媒体键定义

       现在基本上所有的键盘都有多媒体键定义，如静音、音量调节、下一首等，通过FN组合键实现，看qmk等固件都是通过分层设计实现，对于这种全键盘懒得搞这么复杂了，直接单独检测了。

       打开keyboard.c文件,找到keyboardSend方法，在switch里case ID_KB_F1代表的就是FN+F1组合键，只要修改对应红框里的键值就能实现对应多媒体键。

具体多媒体键的键值键keycode.h文件，如想在F1实现打开计算器只需要把上方红框里的键值ID_MK_MediaSelect替换为ID_MK_Calculator即可。

       默认实现了WinLock功能，即win键锁定，防止打游戏之类的情况下误触发，按下Fn+WinL实现锁定，再按一次恢复正常，但是这个功能没做持久化，即本次锁定后如果电脑关机或者键盘重插，会自动恢复正常。

实际上程序方面支持关机键等系统控制功能，但是这个功能基本上没人用，所以未作实现。

程序编译、下载

stc32的程序编译使用keil c521，下载工具ISP，具体安装操作看官方说明吧

飞向狙沙

原理梳理

       从键盘修复的角度来看实际上这么操作还是蛮复杂的，那么从设计一把全新键盘的角度再来重新梳理下整个流程。

按键检测

键盘的灵魂就是按键检测，精准的检测到一个按键按下，抬起，然后通过USB接口发送给电脑。玩过单片机的基本上都用过按键，最简单实现方式就是给按键一脚接上拉电阻，一脚接地（下拉电阻或ADC方案此处忽略），检测上拉脚的电平，高电平即为抬起，低电平即为按下。

按键消抖               

       按键检测遇到的第一个问题就是抖动，明明只按下了一次，但是程序却检测到了很多次(具体原因见:按键的硬件消抖电路原理详解),消抖方法基本上都是通过软件解决，第一次检测到按键按下后一段时间内就不在检测按键是否抬起，等过了几十毫秒按键稳定后才开始检测按键是否抬起，检测到按键抬起后同样几十毫秒内就不再检测按键是否按下。以此消除抖动带来的误触。

      程序中对每个按键定义一个8byte的变量，用来记录按键是否按下和按下时常，以键盘1000回报率来说每ms检测一轮按键状态，状态没有变化则这个变量+1，最长可记录128ms

// 按键时常统计表，第八位用于记录按键状态，按下为1，抬起为0
// 低7位用于记录按键当前状态保持时常，最大值127
uint8_t keyPressCount[ROW_NUM][COL_NUM];

所以滤波时间可自定义，在common.h中#define KEYBOARD_FILTERING_COUNT 30,实际这里配置的是检测次数，回报率1000则1ms检测一次，配置为30即滤波时间为30ms，如果回报率设置为2000则0.5ms检测一次，滤波时间为15ms。

矩阵按键

       上边实现了一个按键的检测，但是这样每个脚绑定一个按键，usb键盘百八十个脚，单片机IO不够用，所以就引申出了矩阵键盘（具体扫描原理不做介绍，需要的自己检索下）

      但是矩阵键盘存在一个问题，就是存在鬼影问题，当多个按键同时按下时可能会导致误报，如上图1 2 5同时按下，程序会错误的检测到6也按下了（具体原因可参考动图解说键盘矩阵如何工作），为了解决鬼影问题就在电路中加入了无冲二极管，实现了全键盘无冲突。

      到此最基础的按键检测功能就实现了。

扫描程序

      程序中加了基础注解，这里第一个问题就是STC的IO是sbit的位寻址，没办法放到数组，所以只能自己重新定义个一下IO，结果就是导致IO设置或者获取状态时需要套好几层马甲，速度较位寻址慢了不少，好在键盘也对速度没太高要求。对FN做了特殊处理，只有当其他按键都抬起时在更新FN状态，防止按下FN+F2调小音量，但优先抬起FN再抬起F2这种有点憨憨的操作时误触发F2。

1. void keyboardScan()
   
2. {
   
3.         uint8_t r, c, val;
   
4.         for (r = 0; r < ROW_NUM; r++)
   
5.         {
   
6.                 // 行拉低
   
7.                 GPIO_Reset(rowPins[r]);
   
8.                 // 循环检查列
   
9.                 for (c = 0; c < COL_NUM; c++)
   
10.                 {
    
11.                         // 检查是否超过滤波时间
    
12.                         if ((keyPressCount[r][c] & 0x7f) < KEYBOARD_FILTERING_COUNT)
    
13.                         {
    
14.                                 // 未超时，只增加时间，不检测按键
    
15.                                 keyPressCount[r][c]++;
    
16.                         }
    
17.                         else
    
18.                         {
    
19.                                 // 已超时，检测按键，如果和上次记录不一致则更新按键状态，并清零计时
    
20.                                 // 按下为1 抬起为0
    
21.                                 val = !GPIO_Get(colPins[c]) << 7;
    
22.                                 if (val != (keyPressCount[r][c] & 0x80))
    
23.                                 {
    
24.                                         // logf("press v%d kp%X\r\n",val,keyPressCount[r][c]);
    
25.                                         // 按键状态更新,滤波计时清零
    
26.                                         keyPressCount[r][c] = val;
    
27.                                         // 只有在正常按键全抬起时才更新FN状态
    
28.                                         if (r == FN_ROW_POS && c == FN_COL_POS)
    
29.                                         {
    
30.                                                 if(isClear)
    
31.                                                         pressFN = (val & 0x80) > 0 ? 1 : 0;
    
32.                                         }
    
33.                                         else
    
34.                                         {
    
35.                                                 isChange = 1;
    
36.                                         }
    
37.                                 }
    
38.                         }
    
39.                 }
    
40.                 // 行重新拉高
    
41.                 GPIO_Set(rowPins[r]);
    
42.         }
    
43.         // 按键扫描完成，按照按键组装报文数据
    
44.         keyboardSend();
    
45. }

复制代码

USB报文

       按键扫描已经完成，下一步就是把扫描到的键值发送到电脑，比如按键A的键值为0x04，则把这个键值发送到电脑，电脑就能识别到A按下，但是USB标准协议中键盘的报文为8字节，第一个字节8位用来存放左右ctrl、shift、alt、win8个键的状态，第二字节保留不用，剩余6字节存放6个键值，这也就导致不算ctrl几个功能键一次最多只能发送6个键值，按下7个键则第7个键无法发送，这也是以前一直说6键无冲的原因。

       既然这样那把着8个字节扩大不就好了，扩大到100个字节，不久可以把所有键值一次都发送完，实现全键无冲了，是个方案，但是数据量有点大，换个思路要是像ctrl那样一位表示一个按键而不是一个字节表示一个按键，那数据量不就可以直接缩减8倍，完美的方案（实际可能有老系统不支持，但是应该可以忽略不计）。实际方案：第一个字节存放ctrl功能键，第二个字节保留，后边13个字节存放13*8=104个键值。

       USB报文实在是太复杂了，几句话说不清，网上资料也很多，想研究的推荐看《圈圈教你玩USB》。

file://C:/Users/changwj/Desktop/lenovo-keyboard-mk300/README/images/image-20240217200645440.png?lastModify=1708219059

      遍历按键数组，检查按下的按键，通过偏移量计算赋值对应的buffer值，组装报文完成后发送到USB完成一轮键盘工作。

  

1. for (r = 0; r < ROW_NUM; r++)
   
2. {
   
3.     for (c = 0; c < COL_NUM; c++)
   
4.     {
   
5.         if (keyPressCount[r][c] & 0x80)
   
6.         {
   
7.             keyBuffer[keyMaps[r][c] / 8] |= (1 << (keyMaps[r][c] % 8));
   
8.         }
   
9.     }
   
10. }

复制代码

飞向狙沙

结尾

这键盘---一言难尽，功能完全修复，但是，上次飞线修复就发现有一个轴臭了，这次修复发现能臭了1/5，近全新未用的凯华轴，2年臭一个，6年臭一堆，换轴吧这货RGB4脚灯拆起来也是费劲，修好继续吃灰吧。。。

看看对比效果

灯效以前写的，懒得移植了，记得是单色、随机、彩虹、流光

dulme

这个飞线也很NB啊

我爱玩数码

高手啊

Python学徒

卧槽！这个键盘我也有同款。
和大佬的区别是，我的坏了就丢了！

jyobin

你这个是用插脚LED还是贴片LED？插脚LED拆都很麻烦

飞向狙沙

Python学徒 发表于 2024-2-18 15:05
卧槽！这个键盘我也有同款。
和大佬的区别是，我的坏了就丢了！

还是丢了省心，垃圾轴实在是没啥玩的

飞向狙沙

jyobin 发表于 2024-2-18 16:05
你这个是用插脚LED还是贴片LED？插脚LED拆都很麻烦

4脚插件，加上轴体2脚一个键盘600多个焊点，想换轴太痛苦了，不如几十块钱再整把换轴键盘了

kgmx

技术不 错，嘉立创的福利挺实 用

kkdkj

好复杂的工程

myseil

FPC打板不错！

羊见苗

飞线                           

bt4003400

这工程有点大啊腻害

qjt19810204

这活学不来，买了个飞线的还没修好。

menwawork

楼主技术很好，只是这个牌子.......................

我的富士通，用了十多年了，完全没问题。

sagadan

看到这些飞线~对比百多元还是能接受的

飞向狙沙

qjt19810204 发表于 2024-2-19 07:45
这活学不来，买了个飞线的还没修好。

实际上比飞线更简单了，可以试下，都是现成的

飞向狙沙

menwawork 发表于 2024-2-19 08:18
楼主技术很好，只是这个牌子.......................

我的富士通，用了十多年了，完全没问题。

可以，我现在用的网吧退下来的小丑鱼也用了六七年了

阿粗

谢谢分享，祝楼主新年有钱有闲玩电子垃圾发帖