ESP32S3-蓝牙有线双模热插拔小键盘-全键无冲

使用esp32s3-wroom-1模块，实现蓝牙有线双模键盘功能，全键无冲但最多支持6键同时按下（键盘库限制，臣妾不会改啊）研究了下整出来了，官方库封装的很好，改下报告描述符就行；

支持媒体键，可在源码中更改键位；

部分模块化设计，可选择屏幕或两个额外按键，引出未使用引脚，可扩展其它功能；

可用电池供电，插电自动切换，但没做低功耗，不建议长时间保持蓝牙连接加了深睡模式，但回连较慢，这个真没办法了。

碎碎念：参考了各位大佬的设计，本来是打算用合宙的c3模块+ch422+ch9329做的，板子打好算了下成本，合宙涨价+写代码麻烦，果断自己尝试画开发板用s3模块重做了。合宙你变了啊

更新：

24.11.15更新：

• 发现上次更新的文件有bug，我直接修改了官方库里的文件，这部分没在项目文件里；
  • 问题出在usbmsc功能，官方提供的USBMSC类的构造函数会在usb里添加msc接口，所以我删掉了无参构造函数里的内容，加了一个带参构造函数，防止声明类对象时就添加msc接口，这样在用usb键盘时不会产生一个无法打开的磁盘；
  • 解决方案1：用最新项目文件；
  • 解决方案2：按我上面说的，自己修改一下对应文件；
  • 解决方案3：不在乎用usb模式时会有杂物，那直接删掉报错的USBMSC(use_msc)中的use_msc参数即可；
• 删掉了旧项目文件，只保留esp32s3_NKRO_keyboard.zip；
• 最新项目文件为esp32s3_kb_v1_N8R2.rar。

24.11.11更新：

• 添加usb msc模式，开启后将fat分区模拟为u盘，用于读取外部配置等；
• 添加fn切换功能，可将原始层和fn层按键切换；
• 添加屏幕功能，使用lvgl：
  • 显示当前连接（蓝牙、usb）状态，显示默认层是fn层还是原始层；
  • 显示内置图片，并旋转；
  • 可切换显示使用msc模式放置在fat分区的外部图片；
  • 外部图片放在msc模式下磁盘的.lvgl_data文件夹，需重命名为1.png
• 添加读取外部配置的功能：
  • 使用json格式保存外部配置，可配置键位、键盘名、休眠时间等；
  • 附带键位设置工具excel表格，需要用最新excel打开；（要支持VSTACK等公式，不确定具体是哪个版本更新的）
    • 表格在最新文件的键盘工具/tools文件夹里；
  • 外部配置放在msc模式下磁盘的.configs文件夹，重命名为userConfig.json；
    • 要手动写配置，可参考同目录下的defaultconfig文件；
• 修改了部分键盘和编码器扫描相关函数；
• 最新文件为esp32s3_kb_v1_N8R2.rar
  • 如果是N16R8模块，需要将platformio.ini文件替换为N16R8版本，已放在项目目录下，重命名替换即可。

功能：

已实现功能：

• 有线、蓝牙双模（只在windows11上测试过）；
  • esp32s3的usb还有串口下载功能，boot按钮处装电容可能导致boot引脚上电晚，如果发现左上角灯没有闪一下说明可能进了下载模式，断电重启即可；
  • 有线切换蓝牙后不会自动重连，因此每次切换模式都用自动重启的方式（但注意这种软重启会导致蓝牙切换到usb模式后功耗增加）；
•  键盘按键支持真·全键无冲，同时支持媒体按键（蓝牙模式只支持部分）、一次最多6个按下的组合按键、2层fn层；
  • 通过修改源码来编辑按键键值； 
  • 按键最多19+1+2个，分别为19个键盘矩阵中的机械轴，1个键盘矩阵中的旋转编码器开关，2个独立的引脚控制的机械轴，和屏幕二选一；
• ws2812幻彩rgb，每个机械轴位置1个，共21个，只做了灯光亮灭处理，驱动库中有预设多种灯光模式，可通过源码更改；
• 仅仅是能亮起来的屏幕，和2个额外按键共用引脚，按下切换快捷键后断电重启切换；
• 屎山代码，并且越来越烂；

做了但出错后重做没验证的功能：

• 通过引脚的pwm控制rgb亮度，之前忘了加电容，虽然加上电容也不一定可以；
  • ws2812可以自己控制亮度，可能是将rgb值按比例缩放实现的，我想尝试用pwm控制，不行就只能作为普通开关使用了；

可扩展咕咕咕了的模块：

• 4个触摸引脚+2个adc引脚，引脚本身功能基本相同，但adc引脚在模组附近有预留电容，其中1个触摸引脚如果用作adc，在使用无线功能时可能会受影响；
  • adc引脚旁还有一个普通GPIO，可以组合作为带开关摇杆的引脚；
• 5个额外的键盘矩阵按键，键盘矩阵的第5列；
• 1对串口和1对i2c引脚，用来和其它芯片连接，i2c引脚也有触摸和adc功能；
• 3个启动相关引脚，引出备用，启动后可以用作GPIO。

安装注意事项：

驱动板：使用sy8088 dc电源芯片供电，tp4056x为电池充电，40pin 0.5mm间距上接fpc母座引出引脚；

• boot按键下方的电容可以不装，装了之后可能导致需要启动两次才能进正常程序，因为电容充电之前boot相当于低电平，会进下载模式，实测100nf太大了；
• c口下面的5.1kΩ电阻是供电协议相关的，我们只需要5v供电，实际上不需要装；（我之前在写什么？）5.1kΩ电阻是为了ctoc充电时可以被识别，不建议省略；
• 防静电二极管太小了，嫌不好装可以不装；
• mos管以及其它类似上下拉电阻、led分压电阻的阻值可以根据需要选择，能实现功能即可；
• 左上的5v引脚只作输入用，后面有接二极管（左边是地）；
• 0Ω电阻的部分可以改电路板换成导线，少接几个电阻；
• esp32s3模组选择注意事项：
  • 推荐选择psram为2mb以下的模块，8mb及以上的模块，33-37号io无法使用，其中的33-34引脚所有模块都没引出；
  • 对于没psram的模块，上电时拉高io45会使flash电压为1.8v，建议选有psram的模块消除后顾之忧；
  • 串口上建议串联的499Ω电阻，模块内已经串联了，不需要我们额外装；
• sy8088 dc电源芯片
  • 电源电压根据两个反馈电阻决定，小的那个建议100kΩ以上，大的那个为4.5倍，在大的两端可以接一个小电容增强动态响应；
  • 芯片使能引脚要接5v输入保持高电平才会供电，键盘通过这个引脚控制开关，但如果不接键盘矩阵板，要启动芯片需要短接图中引脚，因为电容的存在，停止芯片需要将en脚接地，在附近找个地短接一下即可；
• tp4056的充电电流根据图中所示电阻决定，没记错的话电流大小是1000/电阻；

键盘矩阵：灯珠是6028封装的ws2812b灯珠，编码器ec11，pcb通过3个8mm双通螺柱和驱动板连接

• 矩阵输入引脚的电容不需要，不管怎么都要在软件中处理消抖的，物理消抖没必要，真想加就加小点的；
• 按键附近的10k电阻是输入上拉电阻，1k电阻是输出下拉电阻，预想中是在睡眠模式触发中断的，不用在睡眠之前额外设置引脚输出了（当然实际上没写睡眠模式代码）；
• rgb的分压电阻，可以直接短接，ws2812亮度可以通过软件控制；
• 两个额外按键的轴座用这种带爪簧的铜鸡眼，建议选封闭的，说实话有点贵，不然轴座全换这种可以省不少空间，关键词：套筒热插拔；
  • 编码器的5个信号脚也可以用这种连接件，方便拆，缺点是会小晃；

定位板和电池

• 图中排线是5mm，需要折一下；
• 电池如图摆放时宽度最多50mm左右，横着放下面可以更宽，但最大长度更小；
• 键盘矩阵和定位板通过3.5mm螺柱连接，市面上能找到m2的双通螺柱，安装孔位在四角和斜边上两个，螺丝最长3+4mm；
  • 还有一种m1.6的焊接铜柱也有3.5的长度，焊接孔位在四边中点和斜边两个；

其余部分

• 壳子的孔都是1.9mm直径，本来想安2.5mm的滚花螺母，但尝试了下壳子跳过融化直接碳化了，就直接用m2螺丝吧，盖和底之间有卡扣，不在意松的话可以不用螺丝，盖和底之间螺丝建议长6-8；
• 底壳有镂空和没镂空的版本，用三维猴x树脂能省2块；
• 电池用蓝丁胶粘上，方便拆；
• 上下边中间是1mm直径1mm高的孔，可以装磁铁，但难装还没啥用；
• 定位板是对gasket结构的拙劣模仿，理论上可以用胶垫固定4个耳朵，但c口开孔位置固定，需要计算好，用螺丝也是m2，长4mm即可；
• 开关帽是a28高度，基本和盖顶平齐；

• 编码器基本是相对按键居中的，按键间距是19.05，因此编码器帽直径19mm以内都行，但要考虑到编码器柄不直的公差；

屏幕模块

• 屏幕壳相当难装，自己用建议不装（反正软件功能也没实现）；
• 屏幕壳通过卡扣扣到定位板上，拔的时候可能需要将屏幕壳的下边向内推才能拔出；
• 屏幕模块针脚可以用2.54mm长排针或者短排针结合排母；
  • 排针长度需要用剪钳调整；
  • 用排母＋排针时，先把两个4p排母插在轴座上，再把屏幕的排针插进去，比长排针容易对准，但需要剪掉一部分卡扣，如上图白色的壳；

一些问题

• 键盘上的小元件我是用加热板贴片的，当然轴座和rgb因为不确定是否耐热，是手焊的，我用的加热板文件也会发布出来，但之前某配可以打超过10cm铜厚1oz的铝基板，上次看只有0.5oz了，想白嫖可能要自己再画；
  • 定位板也是某配嫖的，但超过10cm只能选4层板，而且开槽不太精确，可能需要多打两次；
• 安装后发现了一些问题，我稍微修改了pcb，最新的和我图中的不完全一样，但都是小改，应该不影响实际效果，最大的问题是定位板开槽，原先右下角部分的开槽短了，装排母需要手动磨短，现已修改；
• 蓝牙键盘库和usb键盘库有定义冲突，因此我修改了库里的部分代码，要是自己安装库，冲突是正常的，手动改下，我提供的代码是platformio的，整个文件夹有点大，所以只截取了部分，可能需要先新建项目，导入我的ini文件后再把我的代码覆盖进去；
• 我修改了两个键盘库的hid报告描述符用来支持全键无冲，用17字节存了136个不同按键，理论上能同时按下，但我懒得改官方库定义的按键和ascii映射算法了，现在正常使用只支持128个按键同时按下；
  • 因为全键无冲的实现必定与标准键盘（boot键盘）不同，所以不确定有些很旧的设备在boot模式下是否支持；
  • 按键配置方式都在源码里，这里不说了。
• 因为没有设计正常键盘那样电池的物理开关，所以就算有线用，关掉电脑后键盘也会用电池供电，现在设定了蓝牙模式下无操作20min进深睡，usb模式是3倍的时间；
  • 进深睡时，usb会与电脑断开（就是会叮咚一下），而且唤醒后没法及时发送消息，延迟至少有500ms，就不折腾唤醒瞬间响应了
    • 其实做了读取唤醒那瞬间按键的功能，奈何从深睡到启动至少要差不多300ms，再到usb连接电脑要接近1s了，假装这时按下了按键多少不合适；
    • 因为编码器输入引脚是上拉的，其它输入都是下拉，所以没做编码器旋钮唤醒深睡；

关于功耗

拿万用表测了下整个键盘电流，没接电池，仅供参考：

建议时钟频率就用240Mhz，灯别开太亮用，每次切换模式时手动重启下，软件重启的可能有些外设没复位；

## 最新的代码是esp32s3_NKRO_keyboard和esp32s3_NKRO_keyboard_with_lib这两个文件，前者是运行了platformio的deep clean的，没有安装库，打开后会自动下载库，后者是包括了库的。

以后代码的小变动我就不传到附件了，可以去gayhub看

https://github.com/gdnre/ESP32_NKRO_KeyBoard

施工完毕，

如果有人想要BOM表，可以评论留言，没人需要我就懒得整理了，稍微检查下自动生成的BOM也能用。