导读：性能、效率拉满。
本文经授权转自公众号程序人生 （ID：coder _life）时隔四个多月，打破拖更记录的华为“天才少年”，有着“野生钢铁侠”之称的稚晖君，终于在不久前发布了他的最新项目视频。在本次视频中，稚晖君打造了一把模块化机械键盘，并称其为“很实用的生产力工具”。稚晖君将这把理想键盘命名为“瀚文”，由自己从头设计，并加入了智能交互模块，不仅可以安装各种APP，还可以实现指纹解锁等功能。随后，这一视频还被华为官方转发，并评论“太厉害了！” 稚晖君表示，此次项目的想法源于几个月前的居家办公经历。对于程序员和打游戏的这一类群体，往往对键盘的要求非常高，甚至可以称为“吃饭的家伙”。正因如此，市场上一部分玩家对于电脑外设的性能和外观的极致追求，也就催生了一种叫做“客制化”的圈子。但接触下来，他发现很多“客制化”总是以“换壳为本”，还有很大的进步空间。于是，稚晖君决定自己从零构思，设计一把真正的“客制化”键盘。稚晖君认为，无论想做什么样的新概念键盘，首先要保证它打字作用的基本属性，所以他的第一步是把键盘本身的性能做到极致。相较于“客制化”的圈子里一般以工业设计为大头，软硬件方面都是采用现成的参考设计和开源固件，稚晖君为了保证能够有最大程度的开发度自由，于是选择自己从头设计电路硬件以及固件代码。首先从硬件来说，键盘的原理其实很简单，每个键轴就是一个独立的开关，按下导通为0，弹起断开为1，通过控制器芯片检测按键的高低电平就可以知道按键是否被按下。虽然听起来很简单，然而稚晖君表示，真实的情况却有点复杂，他在设计中就遇到不少问题：1. 常规的键盘有100个左右的按键，如果每个按键都接一根导线到MCU的引脚，那么就需要MCU有100多个引脚，这显然是极其浪费且不太现实的。正因如此，所以市面上的键盘基本都使用一种叫做矩阵键盘的形式来检测按键。比如说对于4行×4列、共16个按键组成的矩阵，单独连接的话需要16个IO，而矩阵扫描只需要4+4=8个IO。 2. 如果采用矩阵扫描的方式设计电路，那么由于按键之间不再是独立连接，而是存在一定的耦合，就会出现没被按下的按键也会被触发的情况，也就是俗称的“鬼键”问题。为了解决这个问题，稚晖君设想在按键下面再添加一个二极管，可以有效防止误触发的问题。3. 想要提升键盘的手感，PCB设计的时候就要做减震处理，因此需要在PCB键轴之间挖出很多长槽。那么矩阵键盘和一堆二极管的模式就会使PCB走线变得很麻烦。所以为了从硬件根本上重构键盘扫描电路，稚晖君设计了一个相当完美的方案，那就是使用移位寄存器来实现按键扫描。他使用1×n的矩阵，即基于移位寄存器的并行输入转串行输出功能，把每个按键都看作寄存器的一位，这样每加载一个时钟信号都可以依次读出每个按键的状态。
- 极其节省IO。不管扫描多少按键都只需要一根数据线、一根时钟线以及一根锁存线、3个IO。
- 扫描速度极快。74HC165系列芯片的最高时钟速度超过50MHz，也就是理论上每秒能扫描5千万个按键。由于用不了那么高，稚晖君在实际使用中通过硬件SPI接口模拟时序，扫描频率为4MHz。
键盘硬件问题解决了，下面就来到了固件。目前市面上绝大多数的客制化键盘都是使用像QMK、ZMK这样的开源固件，但它们往往为了适配大量的键盘型号，导致存在代码臃肿、性能优化不足、扩展性不太好等问题。因此，基于高性能的ARM主控，稚晖君自己开发了一套键盘固件，基本上把全速HID设备的性能都拉到了顶。他在固件中实现了HID设备枚举、1kHz的硬实时报文以及1ms的超低延迟。超高刷新率的全按键独立RGB灯控制，支持NKRO也就是所谓的全键无冲；添加每个按键独立的滤波算法，支持Bootloader更新固件，支持多层键位映射配置。此外，设计中还有很多的时间细节，稚晖君表示稍晚会将固件代码开源，感兴趣的小伙伴可以前去仓库阅读源码。https://github.com/peng-zhihui在结束电路硬件以及固件代码的设计后，键盘本体的硬核部分基本就搞定了，项目也终于来到了外观设计环节。稚晖君请了好友@Xikii厂长帮忙设计加工（此前自动驾驶自行车、机械臂等外壳零件就出自他手）。组装完成后，稚晖君提到了在构思这个项目时的思考——什么才是智能键盘？稚晖君表示，如果参考智能手机的定义，智能键盘应该有各种传感器，能够随时安装各种APP，不断获取新能力。基于“模块化”的思路，他给键盘加上了不止一块屏幕。键盘由三部分组成，除了本体之外，还有一个带USB-HUB功能的底座，以及一个可以替换成各种场景的智能交互模块。智能交互模块可以安装各种APP，首先模块搭载了一块电子墨水屏幕，可以自定义显示各种内容，比如喜欢的图片、天气预报、电脑状态，或者任何其它想要显示的信息。稚晖君表示会把这个模块二次开发，所需要的通信协议和驱动都封装成SDK，方便大家基于SDK开发各种交互应用。在电子墨水屏幕上还有一个小屏幕，一块OLED以及一个电机。此外，稚晖君还加入了一个智能滚轮，结合旁边的OLED屏幕，可以把它模拟成弹性开关来当做自定义的按键，向上推打开任务视图，向下推显示桌面，它还能成为一个动态仪表，实时显示电脑的CPU占用的信息等。稚晖君认为作为生产力工具，他理想中的键盘不应该只有炫酷的功能，还应该实际解决一些效率提升的问题，于是他给键盘添加了指纹识别模块；还在空格键的下方添加了一个电容式的触摸按键条，其功能可以自定义，比如用它快速切换桌面、标签、音乐以及复制/粘贴等。稚晖君将这次尝试模块化键盘DIY的作品命名为“瀚文”，英文名是“Hello Word”。他表示这个项目纯粹是为了满足个人对理想键盘的幻想，接下来会把“瀚文”作为之后的主力设备。本次项目的软硬件都将开源，欢迎大家在此基础上继续开发。另外，稚晖君还表示，由于开发时间有限，项目还有很多可以完善的地方。他还为大家提供了一些额外的思路，构思了一些用于“瀚文”的其他场景模块，比如用于直播场景的扩展模块：最后，稚晖君透露，未来有时间的话，自己也许会尝试都实现一下。另外，下一期视频会是一个主线的机器人项目。期待他下个设计的到来！本文转自公众号程序人生 （ID：coder _life） 读书 | 书单 | 干货|讲明白|神操作 | 手把手大数据 | 云计算 | 数据库 | Python | 爬虫 | 可视化AI | 人工智能 | 机器学习 | 深度学习 | NLP5G|中台 | 用户画像| 数学 | 算法 | 数字孪生
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