一种新型多功能蓝牙键盘设计方法

时间：2024-07-28

苏靖枫，贺靖康

(河南城建学院计算机科学与工程系，河南平顶山467036)

随着电子信息技术的发展和人们对便携体验更高的要求，笔记本电脑、平板电脑、智能手机等数码产品如洪水般涌进人们的生活，这些产品逐渐放弃传统的物理键盘，转而用精简的小键盘、窄小的QWERTY键盘甚至虚拟键盘。但是当文字录入等操作用时较长时，这些键盘设计就会显得力不从心，影响工作效率[1]。这时人们更希望有一部标准的实体键盘进行操作，这样的键盘要轻便、易于携带并能够摆脱线缆的束缚，与数码产品组合使用时要实用、灵活和美观。

本文以键盘的三段式折叠和数字键盘区可分离作为基本的外观设计，采用BCM2042芯片作为键盘主控芯片，设计了蓝牙键盘的主要电路、布局结构以及特殊的使用功能，实现了键盘的三段可折叠功能和无线传输功能，并探索了蓝牙键盘可以拓展的功能。

1 键盘的主控芯片

键盘的主控芯片采用的是Broadcom公司生产的一款适用于蓝牙键盘与鼠标的BCM2042芯片。该芯片主要由连接键盘按键扫描阵列的直接接口、光学鼠标逻辑、板上稳压器以及低功率模块等构成，采用了单芯片配置和符合蓝牙人性化接口设备(HID)规范的内置固件，具有降低干扰的可调跳频技术、高性能蓝牙与基带技术和可有效延长电池寿命的快速连接技术。BCM2042的主要功能模块如图1所示。

2 键盘的整体设计

2.1 外观设计

传统键盘的最右端是5排的数字键盘区，可方便地进行大量数字的录入和计算作业，然而主键盘区上的数字键，完全可以满足大部分人的日常使用[3]。本文采用分离式键盘的设计思想，即主键盘区和数字键盘区相分离，分离后的数字键盘区可以通过端口与主键盘区连接，既能缩短键盘的长度，又能满足有大量数字录入的需求。

为了进一步减小键盘的体积，主键盘区省去传统键盘顶端的“ESC”和“F1-F12”等功能键，可使宽度减少约1/6。主键盘区增加了一个Fn键，此键可与主键盘区的“0-9”、“-”和“=”等12个键组合，实现传统键盘上“F1-F12”键的按键功能。键盘的整体布局如图2所示。

图1 BCM2042功能模块

图2 键盘的整体布局

图3 “POWER/ESC”键的位置设计

2.2 主键盘区三段式折叠设计

为了实现键盘外形的小巧、轻便，满足便携式产品的需求，将主键盘区分为三段，采用三段式折叠设计方案。为了降低折叠后的厚度同时兼顾使用感受，主键盘区采用“X架构”，各侧面三维图如图4所示。“X架构”运用两组平衡四连杆机构，以强迫运动方式运动，让使用者无论是按触键帽中心还是四个角落时，都能感受到顺畅的手感[4]。“X架构”独有“三段式”触感，提高了敲击的舒适性。

图4 主键盘区各侧面的三维图

为了使折叠后的键盘整体厚度尽可能小，在制作电路板时，将键盘折叠处的电路连线集成束，并可伸缩10 mm左右。与传统的使用转轴的折叠方案相比，这种方案不但简单易行，而且可以使键盘折叠后几乎不增加额外的厚度，其厚度大约为33 mm(仅主键盘区)。

2.3 软件设计

键盘主控芯片BCM2042集成了8051微处理器，根据8051微处理器的功能特性，可以实现如下基本功能：初始化蓝牙芯片、键盘扫描、识别鼠标运动方向、鼠标脉冲计数、去抖动、键盘鼠标数据编码、键盘鼠标数据发送等。这些基本的功能可由C51编译器开发，程序流程如图4所示。

图4 键盘基本功能程序流程

对无线设备来讲，电池的续航能力是一项非常重要的性能指标，为了降低电能损耗，在电路设计中只用一个LED灯来实现键盘不同状态的显示。根据设计的要求，实现了如下功能：

(1)“POWER/ESC”键的开关功能，开机长按2 s左右，LED灯闪烁3次，每次间隔约0.5 s。关机长按3 s左右，LED灯闪烁2次每次间隔约1 s，其中的主要代码如下。

sbit P10=P1^0;//LED

sbit key=P1^2;//开关，外部I/O接口

uchar time_count=0;//间隔时间计数变量

uchar times=0;//LED灯闪烁次数

//定时器0中断处理子程序

void Time0()//interrupt 1 using 0

{

TH0=0xdc;

TL0=0x00;//设定时值为10 ms

time_count++;//计数加1

}

//开机判断

bool key_on()

{

if(key==0)//0表示“POWER/ESC“键

{uint i;

for(i=1;i＜=200;i++)time_count++;//开机长按2 s

if(key==0)return true;else return false;}

}

//关机判断

bool key_off()

{

if(key==0)

{uint i;

for(i=1;i＜=300;i++)time_count++;//关机长按3 s

if(key==0)return true;else return false;}

}

//关机判断主循环程序

while(1)

{

if(key_on())//开机情况

{if(times＞=3)p1=0x00;//LED长灭

if(time_count==50)//0.5 s时间间隔

{P10=!P10;//IO口取反，即LED闪烁灯变化

times++;}

}

if(key_off())//关机情况

{if(times＞=2)p1=0x00;//LED长灭

if(time_count==100)//1 s时间间隔

{P10=!P10;//IO口取反，即LED灯闪烁变化

times++;}

}

(2)数字键盘区连上主键盘后，LED灯常亮约半分钟，断开后LED灯不反应，主要代码如下。

while(key==0)

{

if(times＞=3000)//LED亮半分钟

{p1=0x00;}//LED长灭

p1=0xff;

time_count++;

}

2.4 矩阵电路设计

BCM2042芯片集成了键盘扫描接口，负责处理与按键有关的阵列信息，但芯片需要外接晶振、天线等电子元件才可以正常工作。ZBA公司的BT22K-2042蓝牙模块基于BCM2042芯片设计，容易实现该芯片的所有功能，便于直接对键盘电路和功能进行设计，省去了焊接和微带天线设计的麻烦。按照BT22K-2042蓝牙模块的管脚图，设计了蓝牙模块与键盘矩阵的连接(见图5)。数字键盘分离后，通过将主键盘区(A区)行列线与数字键盘区(B区)行列线对应连接，实现主键盘与数字键盘的连接，再加入电源控制、主控开关、LED指示灯等电路模块即实现了传统键盘的一般功能。

图5 键盘矩阵与按键的功能对应