96配列_G613

1个月前

简介:本项目为一个基于罗技G613主控的无线机械键盘。 关键词:RGB LIGHTSPEED 蓝牙 大容量电池 快充 人体感应 模拟开关

开源协议: GPL 3.0

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描述

一、总体结构

1.1 设计思路与改进思路

所谓温故而知新,经过认真的总结和实际操作,我充分了解了上一版本K375S键盘的内部设计缺陷,其缺陷主要如下:

①弹簧针供电的不可靠性。经过测试,弹簧针配合镀锡焊盘的免插接供电、信号结构并不稳定,镀锡焊盘极易氧化,因此在本键盘中,多个垂直分布的pcb之间尽可能采用了更加可靠的连接方式,,或为排针、排母,或为镀金弹簧片配合镀金触点母座,或为ffc排线硬链接,可靠性极佳,丝毫不夸张。。

②外壳结构改进。之前的外壳结构整体为类船壳结构,基本上是最普通船壳外加一个长条形压板,而现在充分吸收了老璇同志的外壳结构思路,改为底壳+上盖的结构,以底壳为主体,基本固定、组装思路为,首先通过螺丝将定位板与矩阵电路板进行紧固,形成定位板-PCB复合体,以此与底壳进行第二次链接,通过螺丝与螺柱,将复合体与底壳固定在一起。

③螺丝位改进。k375版本的螺丝位相对比较散乱,且过多,此版本精简了螺丝数量,并且更加整洁。

④电气设计改进。对充放电芯片进行了改进,对电流控制结构和控制逻辑进行了更好的改进。

⑤灯光结构改进。K375S版本的单色氛围灯条嵌入外壳中的凹槽,然后灌入硅胶进行均光,灌胶工艺较为复杂,失败率高,此版本进行了改善,将led灯带改到了外壳内部,借助光固化树脂的半透明性质进行均光,结构更加简单,均光效果更好,安装难度更低。

1.2 键盘物理结构

1.2.1 结构示意图

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①上盖②定位板③矩阵板④中控板⑤oled模块⑥底壳⑦10000mah*2电池组⑧电池板⑨2800mah电池组⑩集线小板十一⑾底壳螺柱预装位⑿G613主控焊接位⒀5.8g人体雷达安装位⒁上盖侧嵌入螺柱位⒂led灯带安装位

1.2.2 结构讲解

①上盖:上盖内侧嵌入19个螺柱,规格为m2*8,双通铜质螺柱,从侧面嵌入后,与底板进行垂直链接。

②定位板:无需多言,自带20余颗5050 2812灯珠。

③矩阵板:也就是所谓主PCB,热插拔,rgb,G613主控,螺丝卫星轴,一应俱全,无需多言。

④中控板:设计核心,也是整个键盘的动力核心,提供了电池充放电管理,将两组电池封装为两个5v恒压电压源,提供电力,并搭载了qmk固件,提供oled显示、rgb控制器等等功能。

⑤oled模块:无需多言,一个0.91寸oled屏幕,非公版设计,必须采用本设计提供的开源pcb,不支持任何市售oled模块!

⑥底壳:外壳主体结构,厚度3mm以上,提供较好的强度,大量螺柱、开孔、开槽等。

⑦10000mah*2电池组:两片容量10000mah的3.8v高压锂电池,为键盘提供了充沛的电力,使得无线rgb成为了真正能够实现的设计。

⑧电池板:小电路板,负责将两个电池组用弹簧片连接至中控板。

⑨2800mah电池组:G613主控供电电池,虽然容量较小,但是也大大超过了G613的原装电池,专注为G613主控提供电力,不负责其他的多余供电,理论上能提供不弱于原装的续航能力。

⑩集线小板:辅助固定两个机械开关,提供oled屏幕的结构支撑。

⑾底壳螺柱预装位:恰好可以嵌入m2.5双通螺柱,具体螺柱长度见图纸,自行测量确定。

⑿G613主控焊接位

⒀5.8g人体雷达安装位:用于探测周边人体的雷达焊接安装位置。

⒁上盖侧嵌入螺柱位

⒂led灯带安装位

1.2.3 安装流程讲解

此部分主要讲解结构安装,对于元件焊接部分不做详解。

oled模块与上盖粘合一体,通过弹簧针与集线小板链接。虽然弹簧针在大电流下表现不佳,但是对于oled模块,绰绰有余。此步骤结束后,上盖-oled复合体放置一边备用。

取出底壳,将m2.5*6或m2.5*5规格的铜质双通螺柱嵌入预制螺柱位置,如果吃紧或过于松散,可以用烙铁和胶水分别应对。具体螺柱为6mm或5mm参见图纸,自行测量查看,多数为6mm螺柱。将电池组用易拉胶粘合至图纸所示位置,将电池线按电池小板丝印指示焊接,并将电池小板用易拉胶粘合至电池仓合适位置,具体位置见图纸。将cob灯带裁剪至恰当长度,在灯带弧形硅胶条两侧贴上双面胶,粘合安装至led灯带位。并将led供电线焊接至led弹片板,通过胶带将弹片板粘合嵌入到底壳对应的凹槽处。将集线小板安装至图纸所示位置,两个开关可以提供初步定位,此时应该通过反复试装上盖,确定oled模块弹簧针与集线小板孔位配合情况后,胶带固定。

取出矩阵板,准备好m2.5*3双通铜质螺柱,准备好烙铁。此处注意,矩阵板上存在两种螺孔,外观上一致,一种在底壳有对应螺柱,而另一种没有。对于第一种螺孔,取m2.5*10螺丝一个,将m2.5*3螺柱首先拧到螺丝十字花一端,然后将螺丝穿过矩阵板拧入底壳中的螺柱,不需要拧到头,当螺丝被基本固定,即可停止,接下来将套在十字花一端的m2.5*3螺柱拧向矩阵板,夹紧、顶在矩阵版正面的焊盘后,用锡丝焊接固定,然后取出之前定位用的螺丝。至此,一个在底壳具有对应位置的的螺孔处理完毕,依次处理完全部,对于与底壳不具备对应螺柱的开孔,直接将螺母对准开孔焊接即可。完成后,安装好螺丝卫星轴、定位板上的rgb灯珠等,将弹簧针焊接在矩阵板正面的四个方形焊盘中央,以为定位板提供电力和rgb控制。将定位板与矩阵板用m2.5*5螺丝拧合,注意这里应当采用那些底壳无对应螺柱的螺孔拧合,暂时空置那些底壳有对应螺柱的螺孔。至此,得到了定位板-矩阵板复合体。

将中控板焊接完成,刷入qmk固件,需要比较精确的焊接四处排针,从而确保安装精度。在定位板-矩阵板复合体底部有四个对应排母焊盘,以及六个与中控板对应的螺孔焊盘,将m2*4螺柱焊接后,将中控板与定位板-矩阵板复合体用六个m2*4螺丝连接起来。同时注意排针排母配合情况。

至此,将定位板-矩阵板-中控板通过底壳螺柱,与底壳拧合,注意led灯带供电弹片与矩阵板背面对应位置的镀金触点配合情况。

将上盖从顶部向下安装,拧入19颗m2*8内六角螺丝,安装完成。

1.3 pcb构成

整体包含八块pcb,分别是:矩阵板、定位板、中控板、oled板、集线小板、电池板、led弹片板*2。

二、中控板结构设计

2.1 中控板整体设计

整个中控板基本分为两个独立部分,有一些关键词可以进行总体的描述:双路独立电池管理,pd快充输入,隔离通信,快充诱骗,雷达控制,qmk。整个中控板主体就是两路IP5358芯片,各自完全独立的负责两组锂电池,20000mah的一组锂电池负责几乎全部元件的供电,而2800mah的一组锂电池几乎仅仅负责G613主控的供电。两组电池互相独立,使得rgb即使耗尽了电力,也不会影响到基本的键盘输入功能。

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从上图可以非常清晰的看出中控板设计思路,可以分为两组,每一组可以分为电源和用电器两部分。

电源包括:typec接口、ip5358芯片,mos管开关,tps62203,xsp05,tlc555,5358芯片产生一个恒定的的5v输出,通过mos管开关作为手动控制的一个节点。TPS62203为降压芯片,非常高效的提供5到3.3v的转换,最大提供300ma的电流,tlc555芯片负责产生一个0.5hz的方波,模拟ip5358芯片按钮不断按下,此芯片在输出电流低于50-70ma时,会自动关闭输出,通过不断按下开关可以持续输出,xsp05芯片为快充输出诱骗芯片,设定为输出5v,qc3.0诱骗,预计最大可以输出3A,据大佬说可以不需要此芯片,也可输出3A。

用电器部分:我称20000mah电池组为1,2800mah电池组为2,1号组用电器较多,为32u4、人体雷达、rgb轴灯、led灯带、oled、adum1441提供电力,2号组仅为G613、adum1441、um3670提供供电,关于UM3670、ADUM1441芯片,见后文详解。

2.2 中控板电流控制设计

5358输出5V,通过一个机械开关同时控制NP两个mos,形成第一个控制点,当机械开关关闭mos管,后续所有元件都会彻底断电,当机械开关控制mos导通,则32U4 555 adum1441 OLED 62203都通电工作,RGB与LED接通5V,RGB接通信号线,但不接通gnd,RGB功能按键在软件层面构成对RGB的控制,但在硬件上不生效,当雷达探测到人体,通知32U4,由qmk控制,导通9926mos管,此时RGB启动,LED继续等待qmk的控制。

三、模块设计

3.1 模块列表

5.8g人体雷达:用于人体探测,以控制rgb灯光和led灯光的开启时间,从而延长续航能力。

oled:用于任何可能的qmk功能。

32u4:用于qmk固件运行,提供了大量逻辑控制和rgb控制等等能力。

rgb:轴灯以及定位板氛围灯。

led:底部照明灯。

g613主控:提供核心键盘功能。

3.2 模块功耗预估

5.8g人体雷达有两种可选,一种为5v 25ma耗电的标准雷达,可通过串口调整探测距离、封锁时间等,一种为5v 68ua的超低功耗雷达,不能通过串口方便的进行调试,二选一。

oled视qmk配置情况决定,大致可以认为在10ma上下耗电。

32u4约为35-38ma电流。

rgb灯光系统全开最大可以达到3A耗电,但正常情况下不会超过1A,且具有雷达进行人体探测,尽可能休眠节省能源。

led同rgb,调整空间非常大,最大亮度下约为2.9瓦,但可以通过qmk固件对亮度进行抑制。

G613主控超低功耗,无需多言。

3.3 外设位置设计

5.8g人体雷达位于矩阵板背面,反贴焊接设计,也可以飞线,根据定义可以自行修改安装方式,只要确定能塞得进去。

oled模块位于上盖前部中央,通过双面胶粘合在上盖上,通过弹簧针连接至集线小板。

32u4位于中控板。

rgb位于轴灯位置和定位板上。

led位于底壳内部两侧。

g613主控位于矩阵板上。

四、组合键设计

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如上图所示,F1-6对应FN为G1-G6六个G键,数字1为lightspeed,数字2为蓝牙,数字3 4为rgb、led开关,空格为音乐暂停,方向键上下为rgb亮度调整,左右为rgb模式调整,HOME END分别是声音加减,pgup、pgdown分别是led亮度调整,prtsc与delete分别做了ins、scroll的组合键。以上组合键为FN与对应按键配合触发。

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五、特殊隔离省电设计

为了兼顾RGB与无线续航,并降低设计难度,本键盘的两个电池组完全互相独立,没有进行共地处理,因此两套电源的电平不匹配。而调整RGB灯效最好最方便的方法是组合键,具体组合键的原理见第六节,此处可以暂时忽略原理,只需要知道,这里面临的问题是:用2800mah电池组供电电源电平下的操作,对20000mah电池组供电的32u4进行调整。因此,我需要一种方式,沟通两个电平不同的系统。

最初的元件选择是光耦隔离器,光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用,光耦合器一般由三部分组成:光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动led,使之发出一定波长的光,被光接收器接受而产生光电流,再经过进一步放大后输出。其问题在于功耗极大,能达到几十、几百毫瓦,直接不能用。

后来经过查询,找到了超低功耗感性数字隔离芯片,目前主流方案就是TI的rf隔离技术和ADI的感性隔离技术,最终选择了ADI公司的ADUM1441隔离器,这是一种四通道的超低功耗数字隔离芯片,隔离通道是具有方向性的,三个ATOB通道,一个BTOA通道。参考键盘扫描原理,在键盘上共有8个QMK组合键,故需要4*2的一个小矩阵,值得注意的是,每个隔离通道的两端耗电是不同的,发送方的耗电大约是接收方四倍以上,为了尽可能确保2800mah电池组的续航,设计矩阵为两行四列,二极管为COLTOROW方向设定,如此一来,在20000mah电池组一侧有四个信号发射端,两个信号接收端,而在2800mah电池组一侧是四个信号接收端,两个信号发射端,如此,就把qmk的一个2*4小键盘矩阵,在32u4和按键之间的线路上,完成了信号转换,将基于2800mah电池组GND的信号,转换到了20000mah电池组上。

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六、组合键原理讲解

组合键依托于一种特殊的芯片,所谓模拟开关芯片,采用MOS管的开关方式实现了对信号链路关断或者打开;由于其功能类似于开关,而利用模拟元件的特性实现,成为模拟开关。基本形式有单刀单掷、单刀双掷,并且有多通道的选型。本次设计采用的是UM3670芯片,这是一种四通道单刀双掷开关,四个通道两两一组,每组有一个控制端,通过控制端的高低电平,来同时控制该组两个单刀双掷开关的导通情况。

组合键的原理,其实非常简单,将一个需要进行组合设计的按键,例如本键盘的F1键,他正常按下应当触发F1,fn+f1按键应当触发G1(罗技的特殊可编程按键中的一个),我们将FN轴体本身从613矩阵中剥离,轴体一端通上高电平,另一端通过一个10K电阻下拉到低电平,如此一来,当按键没有按下,这一端就表现为低电平,当按键按下,则表现为高电平,如此,将FN按键作为组合键的触发按键。单刀双掷开关有一个COM端,一个通道A,一个通道B,通过控制端的高低电平,控制COM端连接到通道A或是B,此时,将F1从矩阵中剥离出来,分别连接至UM3670第一组单刀双掷开关的两个COM端,这样,每个UM3670有两组共计四个COM端,能够接入两个按键,也就是说,每颗um3670能够处理两个组合键。假设单刀双掷开关控制端为低电平时,其控制的两个COM都连接到各自对应的通道A,为高电平时连接到各自对应的通道B,将默认的按键,也就是G613的F1在矩阵中原本链接到轴体的两条线路,连接到通道A,而G1原本的两条线路则连接到通道B,如此,当FN没有被按下,那么这两个COM两端连接的就是原本的F1按键应当连接的线路,COM上连接的轴体按下,F1的线路导通,触发F1,若FN被按下,则两个单刀双掷开关同时连接到通道B,此时再按下COM上连接的轴体,便触发了G1。

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七、元件购买与选型

1.27mm排针购买2*5规格的超薄排针排母

5.8g人体雷达有标准功耗超低功耗,自行选择

led供电弹片采用BC-35-2PD240型号,对应的镀金母座为BC-20-2PD160

oled弹簧针采用HY256502,将里面的弹簧针顶出来单独焊接使用,抛弃原有的塑料包裹

电池弹片采用BC-35-3PD240,对应的镀金母座为BC-20-3PD160

八、潜在的问题

目前QMK固件尚未配置完成,主要是还没有进行oled配置和雷达控制的函数编写,本人并不精通QMK,仅完成了rgb矩阵和led灯带。

本项目尚未经过验证,外壳已经下单打印,暂未到手,其他pcb的技术验证工作正在进行中。

九、致谢

感谢BIU总为本项目提供的QMK入门教程,让我了解了QMK的基本运行方式和编译方法。

感谢海绵大叔,他对613 913的深刻研究和理解,极大加速了我的进程。

感谢立创eda的莫总,为本项目提供了ADUM1441芯片,降低了我的经济压力,没有他的支持,本项目难免要拖后更久。

感谢章鱼哥、牧童、白鼠等诸位大佬为此次项目提供的任何支持,诸位大佬尤其是海绵大叔的开源精神帮助我完成了本项目的设计!

十、更新

OLED小板验证无误,可以下单,建议1.6mm板厚

BOM

ID Designator Footprint Quantity
1 D133,D134,D135,D136,D137,D138,D139,D140 D1206-RD 8
2 FPC1 FPC-SMD_16P-P0.50_AFC07-S16ECC-00 1
3 LED1,LED2,LED3,LED4 LED-0603 4
4 Q1,Q2,Q3,Q5,Q6 SOT-23-3_L2.9-W1.3-P1.90-LS2.4-BR 5
5 R1 R0603 1
6 R2 R0603 1
7 R3,R4,R5,R6,R7 R0603 5
8 SW1 七脚测试开关 1
9 SW2 七脚测试开关 1
10 U1 G613小板 1
11 U3 MX1.25-3PIN 1
12 U5 CHERRY——3PIN 1
13 U7 CHERRY——3PIN 1
14 U8 5.8G雷达 1
15 U10 CHERRY——3PIN 1
16 U2,U4,U6,U9,U11,U13,U15,U20,U39,U40,U63 UM3760A-手焊优化 11
17 U12 CHERRY——3PIN 1
18 U14 CHERRY——3PIN 1
19 U16 CHERRY——3PIN 1
20 U17 CHERRY——3PIN 1
21 U18 CHERRY——3PIN 1
22 U19 CHERRY——3PIN 1
23 U21 CHERRY——3PIN 1
24 U22 CHERRY——3PIN 1
25 U23 CHERRY——3PIN 1
26 U24 CHERRY——3PIN 1
27 U25 CHERRY——3PIN 1
28 U26 CHERRY——3PIN 1
29 U27 CHERRY——3PIN 1
30 U28 CHERRY——3PIN 1
31 U29 CHERRY——3PIN 1
32 U30 CHERRY——3PIN 1
33 U31 CHERRY——3PIN 1
34 U32 CHERRY——3PIN 1
35 U33 CHERRY——3PIN 1
36 U34 CHERRY——3PIN 1
37 U35 CHERRY——3PIN 1
38 U36 CHERRY——3PIN 1
39 U37 CHERRY——3PIN 1
40 U38 CHERRY——3PIN 1
41 U41 CHERRY——3PIN 1
42 U42 CHERRY——3PIN 1
43 U43 CHERRY——3PIN 1
44 U44 CHERRY——3PIN 1
45 U45 CHERRY——3PIN 1
46 U46 CHERRY——3PIN 1
47 U47 CHERRY——3PIN 1
48 U48 CHERRY——3PIN 1
49 U49 CHERRY——3PIN 1
50 U50 CHERRY——3PIN 1
51 U51 CHERRY——3PIN 1
52 U52 CHERRY——3PIN 1
53 U53 CHERRY——3PIN 1
54 U54 CHERRY——3PIN 1
55 U55 CHERRY——3PIN 1
56 U56 CHERRY——3PIN 1
57 U57 CHERRY——3PIN 1
58 U58 CHERRY——3PIN 1
59 U59 CHERRY——3PIN 1
60 U60 CHERRY——3PIN 1
61 U61 CHERRY——3PIN 1
62 U62 CHERRY——3PIN 1
63 U64 CHERRY——3PIN 1
64 U65,U66,U80,U92 超薄排母1.27*2*5 4
65 U67 CHERRY——3PIN 1
66 U68 CHERRY——3PIN 1
67 U69 CHERRY——3PIN 1
68 U70 CHERRY——3PIN 1
69 U71 CHERRY——3PIN 1
70 U72 CHERRY——3PIN 1
71 U73 CHERRY——3PIN 1
72 U74 CHERRY——3PIN 1
73 U75 CHERRY——3PIN 1
74 U76 CHERRY——3PIN 1
75 U81 CHERRY——3PIN 1
76 U82 CHERRY——3PIN 1
77 U83 CHERRY——3PIN 1
78 U84 CHERRY——3PIN 1
79 U85 CHERRY——3PIN 1
80 U86 CHERRY——3PIN 1
81 U87 CHERRY——3PIN 1
82 U88 CHERRY——3PIN 1
83 U90 超低功耗5.8G雷达 1
84 U91 LED-0603 1
85 U93,U94 电池弹片座-2PIN 2
86 U101 CHERRY——3PIN 1
87 U104 CHERRY——3PIN 1
88 U106 CHERRY——3PIN 1
89 U107 CHERRY——3PIN 1
90 U108 CHERRY——3PIN 1
91 U109 CHERRY——3PIN 1
92 U111 CHERRY——3PIN 1
93 U112 CHERRY——3PIN 1
94 U113 CHERRY——3PIN 1
95 U114 CHERRY——3PIN 1
96 U115 CHERRY——3PIN 1
97 U116 CHERRY——3PIN 1
98 U117 CHERRY——3PIN 1
99 U118 CHERRY——3PIN 1
100 U119 CHERRY——3PIN 1
101 U120 CHERRY——3PIN 1
102 U121 CHERRY——3PIN 1
103 U126 CHERRY——3PIN 1
104 U128 CHERRY——3PIN 1
105 U129 CHERRY——3PIN 1
106 U130 CHERRY——3PIN 1
107 U132 CHERRY——3PIN 1
108 U134 CHERRY——3PIN 1
109 U135 CHERRY——3PIN 1
110 U136 CHERRY——3PIN 1
111 U140 CHERRY——3PIN 1
112 U142 CHERRY——3PIN 1
113 U143 CHERRY——3PIN 1
114 U144 CHERRY——3PIN 1
115 U145 CHERRY——3PIN 1
116 U146 CHERRY——3PIN 1
117 U147 CHERRY——3PIN 1

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