【八卦.键盘】Sudo. Wang(YQ.) #星火计划# - 嘉立创EDA开源硬件平台

工程测试视频：

https://www.bilibili.com/video/BV1x8411x7FG/

https://www.bilibili.com/video/BV1se4y1n7bn/

       受传统中国太极文化启发，创新设计八卦布阵的键盘。设计参照物为raspberry pi 400，吸收了两仪生四象，四象生八卦的理念，克服了一般客制化键盘在配列方面的缺陷，实现了比400更便携和更实用功能设计，扩展了八卦定吉凶，吉凶生大业的传统键盘不具备的功能寓意。

 

命名来由

       不久前，Leopold键盘配列维权事件在键盘圈引起了不小的地震。大家一方面震惊于韩国人^[1]的申请专利的速度之快，另一方面98键大概成为友商心中永远的痛。为此，我还专门致信Leopold询问其相关的专利原文，发现竟然只是外观专利。通常情况下，外观专利侵权因为容易被仿冒、策略性绕过而不容易保护创新内容，但大L竟然靠这个在中国大陆打赢了官司，这大概会成为键盘圈今后经典的维权判例。只是苦了一众友商要绞尽脑汁设想绕过的方法。但是因为键盘使用习惯形成的惯性，外观专利在这里恰好发挥了外观相似容易认定的优势，而避开了结构方法专利认定侵权需要较多专业知识的弊端。

 

图1. Leopold 已授权的键盘配列专利保护的外观

 

 

图2. Leopold 回函的答复非常及时，可见其维护自身权利的意志

 

     “文王拘而演周易”，今年恰逢在上海因疫情被居家隔离3个月之久，常言道“自古监狱出人才”，3个月时间的放空让我从中国传统八卦的排列中顿悟了存在一种更加便携和好用的键盘设计，古老的符号似乎也可以顺便提醒韩国友人，请他们像尊重自己的国旗一样尊重我们的传统文化。请不要问我开团做这种相似配列的键盘会怎样？我不知道，我只知道尊重是相互的。我没有，对守规矩的韩国友人，我是尊重的。

图3. 经典配列间的比较说明

 

       61配列可以说是很经典的配列了，去掉了F行、ESC键以及右侧全部导航按键及数字键盘后，就成了该配列。所以大部分人在入手61配列的键盘后，他的学习和适应成本是很低的，无需花费过多的时间适应即可达到平时的打字速度，且即使是盲打的情况下错误率也很低。键盘64配列是在61配列基础上去掉RAlt键和RWin键后，增加方向4键和Del键（非左移64其实是63键配列, 左移64配列才是真的64配列）得到的，同时因为RShift从2.75U改为1U大小，其用户使用体验和习惯不如61配列^[2]。

       新的键盘配列设计，是键盘客制化最重要的创新方向，因为它不光要考虑新技术能解决什么样的实际问题，也要考虑用户使用习惯的延续度，更要在已有的各种专利水坑间跳舞，舞姿还要优雅，所以是件考验综合能力的事情。一个好的配列设计，往往给用户带来最基础的舒适和幸福感，其他创新更多的是锦上添花。

 

设计目标

       客制化键盘除了隐藏的专利的坑导致某些很舒服的设计不能被广泛商业使用外，价格也是无法普及的障碍。如何设计一款用起来舒服的键盘，能够满足最朴素的需求，但又能维持合理的成本和价格，是我多年以来的追求。我认为的最朴素的需求，包括但不限于：

1、它足够轻巧，可以让我在外出参加比赛时携带它不觉得增加了背包的分量；

2、它功能齐全，我日常需要用到的按键功能它最好都能有；

3、它最好只有一把，只承载我的独爱，但它必须能在多台电脑或终端间便捷切换，特别是当我需要把电脑浏览器上检索到的程序或命令行手动输入刚刚刷入新系统的树莓派时；

4、它最好能有一部分笔记本电脑的功能，这样在我出门参加比赛的时候，可以不用再带笔记本电脑了，它也才配得上我的独爱；

5、它最好还能有扩展的潜力，可以让我尝试为它测试或增加新奇的功能；

6、它应该足够便宜，就像那年那个兔子造的武器，便宜，但皮实；

7、它最好是任人打扮的小姑娘，一次设计，仅靠换皮肤就能获得不同的属性，cherry轴也好，矮轴也罢，我要它既是标准高度，又是短键程高度，小孩子才做选择，成年人当然是全都要。

以上就是我朴素的非常“6+1”需求，应该不过分吧。梦应该要有的，万一实现了呢。下面就开始画八卦。

 

 

八卦配列

       决定键盘功能丰富性的是IO脚的数量，我说这句话应该反对的人不多。过去的一年，是Arduino的芯片单价能从5元暴涨到高峰时的300元的一年。华为被人卡芯片脖子的经历，我们感同身受。要寻找32u4芯片的替代，首先要考虑的就是拟替代芯片的IO脚数量。以61/63/64键盘为例，键圈最偷懒的办法就是5x12的配列，因为正好5行x12列，布线极其舒适。但是这样占用17个IO引脚，只得到了60个可区分的键位。要想节约IO引脚，就必须采用最接近开方的行列数，例如8x8的配列，共16个IO引脚，可以得到比5x12多的64个可区分的键位。所需IO引脚越省，也意味着实现相同功能时，可以选择的芯片范围扩大了，被卡脖子的几率也就变小了。同样的道理，能不用芯片的地方就不用芯片，能少器件的时候连器件都省了，不仅省钱，而且更加不怕被卡脖子了。当然，改变键盘矩阵的扫描方式，例如稚晖君的瀚文键盘通过芯片扩展IO引脚数量，也是可行的。另外，采用全双工的方式扫描会比瀚文键盘更加节省芯片引脚。但是这两种方式和键圈内现行的通行方式不同，所以当前能够兼容的主控和配套上下游器件、固件选择范围很小，甚至某些功能目前没有合适的固件实现，所以价格高企也就可以理解了。因为我也害怕被人卡脖子，毕竟死道友不死贫道的事情经常有，供应链里不是每家企业都有同舟共济的意愿的。经历过上海的疫情，我对鹰酱卡上家脖子，上家就卡下家脖子这种资本主义的游戏理解更深了，“队友祭天，法力无边”，资本是没有国家的，资本只为自身增值这一件事服务。

图4. 王氏经典“八卦配列”的键位物理位置图

       也许是天意，我发现符合八卦阳爻和阴爻组合的8x8卦数可以使键盘在便携性和实用性之间取得平衡，这是键盘名为八卦得其名也缘由其一。键盘的便携性要求键盘的按键数量越少越轻越便携，但键盘的功能完备性却要求键盘的按键数量越多越丰富越实用。

如前文所述，经典61配列因为沿袭自全配列，更符合用户的使用习惯，但缺少了个别必须的功能按键。而64配列在某些方面破坏了用户使用习惯，导致打字误码率略高。而大L的专利集中布局在方向4键的设计上，其中98键配列是用户接受度最高的改良配列。图4所示是我设计的“八卦配列”初代键位物理分布图，通过五向开关/摇杆/手柄代替4向按键，不仅可以避开大L的专利布局形成的马其顿防线，也能较于4个方向键和轴体降低成本。同时，旋转编码器、五向开关、拨盘编码器、摇杆/手柄参与到八卦配列中，还能各自增加一个可编程的按键位置（当然编码器的完整编程等会增加两路引脚，这就是为什么我要先提芯片IO引脚越多，功能越完备的原因），这就为61配列缺失的按键安置提供了很好的解决条件。首先需要说明的是，我为了解决外出只带键盘而不带鼠标时紧急需要鼠标功能的问题（解决设计目标2），就先把61配列中使用频率较低的Fn和RMenu键移除定义了，代以鼠标的左键和右键，这样即使外出仅带了八卦键盘，而又借用不到鼠标的时候，就有了应急使用的鼠标键。而旋转编码器的大号太极轮，我定义为鼠标中间滚轮的功能，所以鼠标应急使用，功能是完整的。有人当然会质疑说客制化键盘本身有多层按键定义的概念，可以把鼠标功能重复定义到其他按键上去。当然，技术上可行。但是要考虑到客制化键盘的多层定义，主要是为了方便键盘多种工具模式下切换的，对于常用功能按键，如果原先每次使用只要按一个按键一下的，现在都要按两个按键或者按两下，这是反用户使用习惯的。加入鼠标功能定义后，还有ESC、DEL和Fn键需要安置，因为它们使用的频率也不高，所以如前文和图4所示安置到旋转编码器、五向开关、拨盘编码器、摇杆/手柄下，都是可以接受的。所以我认为改良后的61配列，即八卦配列是优于大L的98配列的，功能上八卦配列的按键功能近乎完备，而且还将鼠标定义有效融合，不会让用户因误触发造成实质困扰（最多就是在输入文本框里点了一下鼠标左键或者右键），或者定义的位置太奇怪而不适应。同时，整体按键数量较少，增加了便携性（解决设计目标1）。

       键盘最主要的用途之一就是方便人民在网络上发表意见，“防民之口，甚于防川。”只要是实事求是的建议和意见，堵不如疏，这大概是键盘侠最被人误解的既放空自身，又有利社会进步的运动吧。所以这是键盘名为八卦得其名也的缘由之二。

       诚如前面提到5x12是最偷懒的配列布局，8x8的配列我画了很久，但好在，一劳永逸。如果有人想知道八卦配列是怎样推导画成这样的连接关系，我可以开课专门演示一下设计的逻辑和绘图的技巧。

图5. 原理图中的“八卦配列”

     八卦配列的原理图在专业版不能给信号名称命名为中文，大家将就着看哈。这里面重要的几个点，我来划重点：

1、这里按八八六十四配列，每一卦对应一个按键定义，注意和常规配列不一样的首先在于我把类似5x12配列时LShift和Rshift这样基本相同的定义规整为一个，这样节省键位，虽然在常规键盘绘图里偷懒算成两个。

2、为了避开大L的配列专利，所以特意不用其最主要特征的右下角方向键左移位设计，而是以五向键或手柄代替方向键，参与到配列中来。而且从成本考量，五向键或手柄也是比5个键盘轴体+键帽更经济的。查新之前没有重复的案例，所以我的该配列设计已经申请专利并被受理，不至于被大L追责，可以放心使用了。

3、因为第2点设计，所以按键底部的灯不是每个都有，故而不是六十四爻每个都对应一个灯。这样正好可以在键盘用作卜卦工具时，将上上签和下下签去除，所谓否极泰来，大吉与大凶常常在一念间转换，所以凡卜者往往讳言大吉与大凶签，此处可以参考《雪中悍刀行》徐凤年和轩辕青锋在武当山上替人卜卦的情节，没读过的可以自行找来补课。

 

     进一步，关于封装，也提两点吧，剩下的大家自己找亮点：

1、客制键盘在开发阶段为了方便插拔，会选用热插拔的键轴底座，其整体价格相当于一套普通键轴了。这里为了一次制版可以验证多个键轴型号，特意将两种不同的热插拔底座封装做了融合，至少可以分别制作罗技gtl和cherry MX这两个不同轴体的键盘实物，符合小步快跑的原则。（解决设计目标第7点）

图6. 融合的轴体封装

2、看选用的键轴元件可以知道，我只放了普通LED的引脚，但实际做的时候因为ws2812色彩组合更丰富，所以主流采用。为了兼容方便，ws2812的D1和D2脚全部手动拉线并给网络，很方便。而且为了走线简洁，特意混用了两个键轴上ws2812方向相反的封装。

 

 

 

何为四象

       四象，指少阴，老阴，少阳，老阳。也指阴阳交替运行过程中必然经历的春、夏、秋、冬。^[3]

       在我的八卦键盘设计中，参考图7所示，四象是指通过Hub扩展出的四路功能：一路是按键矩阵主体，一路接触控板，一路在键盘右侧以接口方式可以外接鼠标，还有一路在键盘左上角，可以接U盘或其他外设如FOC电机旋钮（目前没有合适的，下文中我会提如何改造）、绘图仪、手写板等。我在今年6月提交的专利说明书中提到CN201020270304.7所载权利要求（只有两项）“一种带USB接口的连体式键盘和鼠标装置，其特征是：USB HUB集成到键盘内部，USB HUB控制器通过连接线与计算机相连并进行通信，USB HUB的扩展接口分别与键盘的按键电路、鼠标和外接USB接口相连接。”单按这一条，其申请日期2010年7月26日后的相似申请都不应被授权。但该专利生不逢时，因当时的实用性不足、市场价值不高未能进入生产面市，所以其发明申请人应该未能注意到HUB+键盘更有意义的应用场景是，当鼠标+键盘+触控板或其他USB设备需要同时在两台电脑主机和/或平板和/或其他嵌入式主板之间来回频繁切换时。我在日常使用键盘进行树莓派相关项目开发时，注意到了此时切换键盘或接线的麻烦，所以设计了Hub四象的方式，这是在今年检索专利之前，去年下半年就设计制作了Hub芯片在键盘一体的方案并在jlc打样工程实物验证。CN201020270304.7专利的例子说明，如果技术方案要以专利形式获得保护，申请太早或太晚都不好。

 

 

何为两仪

       两仪，即阴阳，是事物矛盾的两个对立面。我不喜欢为树莓派添置另外一套鼠标键盘，因为太占用桌面了，这就是矛盾。但是用多模的无线键盘好不好呢？我只知道它常在需要它工作时没有电了，带出门怕它掉链子。所以键盘在电脑和树莓派之间切换时，又要人家快，又要人家不耗电，还要人家蜗居，它大概是很苦恼吧。

       我设计了在两台电脑/终端间快速切换的一个键盘按键，就可以只用一个带有四象的键盘，在电脑上查找资料的同时可以快速切换到另一台刚刚刷进系统的树莓派上，输入资料上的命令行(解决设计目标3)。

最后，一个完整的八卦键盘大概长下图这样：

图7. 八卦键盘的外设连接关系图

 

其他设计元素

1、可以看到键盘左侧的旋转编码器键帽，是一个太极的元素，可以让使用者在使用键盘时感觉自己在单指推动太极轮的旋转。正如蝴蝶扇动翅膀可能引起亚马逊雨林的风暴，人民在网络世界的呼声，既有推动时代进步的正面意义，也有可能带来意想不到的破坏力，所以这个太极轮警示每一个使用者，在虚拟空间的发声，应当力求客观，才有寻求正义的一丢丢可能。

2、如图可以看到键盘正上方的镂空把手，这不是必须的设计元素，但确实是方便携带的设计要件。同时上面焊接的micro:bit底座，可以用来给micro:bit开发板或掌控板固定和供电。即使不用来连接开发板，也可以利用把手镂空的空间放置手机，同时倚靠micro:bit支撑手机背部，起到一边看手机一边打字的作用。这部分也已经申请专利了，该项权利要求获得通过的可能性很高。

3、键盘左上角两仪按键的右边，有一个树莓派zero/zero w的安装位，通过其上的弹性触点和固定螺丝的支撑，可以让树莓派无需另外的繁复接线，直接成为两仪之一，随键盘一起便携出门，这为出门短期移动办公时不带笔记本电脑提供了可能（解决设计目标4）。所以在键盘的右上角，我也设计了两个TF卡保管槽，可以在树莓派上开发不同项目或刷不同系统时快速更换，并且不用再为找不到TF卡保管的地方苦恼了。这些在上面的3D渲染图上不明显，但是PCB工程图看这些设计元素是非常清楚的。

4、卜卦：通过底灯LED随机闪烁起卦，停止在不同的按键位置获得卦象结果。主控的Tx/Rx串口已经引出，后期可以通过串口连接语音合成模块，直接将解签读出来。前文已经提到，不是每个按键下面都有灯，所以解签不会造成什么不良的心理暗示。现代社会为什么急于寻求心理慰藉？大概是因为大家都生活在越来越不确定当中。法律就是统治阶级统治被统治阶级的工具，但现在越来越像个笑话，就像吓唬小孩子的棍子，束之高阁，什么拿出来用全凭统治者的心情和亲疏远近。有的地方，房屋层高2.95米，少了5厘米，开发商判赔偿600余万元^[4]，有的地方开发商把层高仅2.2米的地下室在消费者不知情的情况下可以当作正常面积卖给你，而且法院还挺维护开发商。所以法律和生活越来越不确定的情况下，无论好人还是坏人，都越来越需要从占卜中获得心理慰藉了。

5、一键彩虹屁：上面提到主控的Tx/Rx串口目前空余，后期可以通过串口连接语音合成模块。除了可以用作解卦签，我还可以提供一个思路是开发一键彩虹屁功能（解决设计目标5）^[5]。当今社会生产力各要素中，劳动者的可替代性越来越高，相比劳动资料和劳动对象的重要性越来越低。日常工作干得好不好不是最重要的，客户满不满意也不是，而领导满不满意，似乎才是最重要的。基于此，一键彩虹屁简直是不善社交的码农的刚需啊。要想拍马屁不充分，一定要重复发挥人工智能与大数据的优势，将码农日常的生产力工具——键盘作为载体，及时提供不重样的彩虹屁导师，确实是个有味道的功能。鉴于我对此功能实在太...能力有限，这部分就交给有兴趣的读者去开发吧，这个想法不收费。

 

道生一，一生二，二生三，三生万物

       所有硬件功能的实现，都需要注入软件的灵魂。但是因为被卡脖子而需要临时重新开发程序的项目越来越多了。这是资本主义高度发展，各资本主义国家间为资源、市场竞争激烈化的表现^[6]。恩格斯特别指出：社会主义不可能在一国或若干国家首先实现，原因是资本主义已经是一个世界范围的体系，只有在世界范围摧毁这个体系，才能过渡到社会主义。鹰酱摸着石头过河，兔子摸着鹰酱过河的日子将要一去不回了。既然软件和主控是一一对应，那么就有必要为未来价格战和被卡脖子做准备。任何客制化键盘创新，都是对大资本垄断生产资料和生产过程的不满，我认为都是一个阶段性的产物。个别生产率因创新而提高要得到超额剩余价值的时间不会很长，一个专利的保护期只有十年，多则二十年，还不如版权的保护时间长，从这一点看，技术创新是吃力不讨好的事情。按照经典政治经济学的基础，商品的价值是凝结在商品上的劳动时间。同样是程序员，工业领域的程序员就是没有金融里的程序员拿到的工资高，但并不能说工业领域的程序员比金融领域的程序员的劳动时间更少。相反，造成上述现象的原因是因为金融领域创造的价值比工业领域更多，这里应该用“转移”比“创造”更合适，这也是国际间资本主义竞争加剧的表现之一。机器生产排斥人的劳动，人类劳动本身正在变得不具有剩余价值这件事正在加速发生^[7]。从好的方面看，这正是嘉立创模式组织的生产关系是未来的希望所在。

       为了不在主控和固件上被卡脖子，我将八卦键盘设计成可更换主控板的贴装模式，并正尝试为其设计多款芯片可以替换的主控板如图8所示。目前已经完成了树莓派Pico官方板、Pico复刻板、ESP32改版（无线）的设计验证，因为八卦键盘的开放性，未来可以兼容更多款芯片，那么相应的被主控和固件卡脖子的情况发生的概率就比较低。

图8. 八卦键盘可以支持的主控板：官方树莓派Pico、Pico复刻、ESP32改版的主控板

 

“阿凡达”成“瀚文键盘”的样子

       八卦键盘对兼收并蓄的追求以达成“三生万物”的境界应不止于此，对于最近流行的FOC旋钮，特别是独立旋钮，我也尝试以PCB电机的方式实现，以期能在不增加重量和充放电模块的情况下实现比旋转编码器更丝滑的手感。

       为什么选择使用“阿凡达”，而不是“复刻”这样的词汇呢？我想“复刻”通常是指对原版的创造性模仿，通常在某些方面比原作更优，这么不谦逊的词汇我要极力避免的。而“阿凡达”对应着英文单词“Avatar”，和Incarnation化身是近义词，在各宗教中，通常指神或精灵等超自然力量，通过某种方式，以人类或动物的形态，实体化出现在人类世界之中，这和道与八卦的语境是吻合的。我用的芯片和技术路线绝大多数和“瀚文键盘”是不同的，所以用“阿凡达”可能更合适些。

       我印象很深，“八卦”键盘第一版打样寄过来的那天上午9点，稚晖君发布了视频制作他的“瀚文键盘”，大家的关注度很高，我也跟着学习了一下。“道生一，一生二，二生三，三生万物。”我想道能兼收并蓄，而“八卦”键盘一定也能以某种方式“阿凡达”成“瀚文键盘”的拟态，不然怎么能配得上“三生万物”之名？

“瀚文键盘”的特点是非常突出的，最明显的两点是：1、键盘采用了多颗扩展IO芯片进行配列布局，2、将FOC电机当作特色旋钮集成在键盘中。其他特点还有墨水屏、空格键的触摸传感器等。首先，多颗扩展IO芯片进行配列布局，这点我自己制作键盘时不会采用，是因为我懒。我这样的懒人平常打字速度最高也就130字每分钟，“瀚文”键盘的高扫描速度对我是不需要的。而且我自己采用“八卦”配列，可以懒得理会专利上的一些不必要的纷争，也比较符合我便携性的设计方向。其次，空格键的触摸传感器和触控板的功能是相近的，更多的差异在位置上，而墨水屏比较适合于刷新率不高的应用场景，我暂时也不会考虑引入键盘。所以“八卦”键盘要“阿凡达”成“瀚文”键盘相似的样子，大概主要要攻克FOC电机旋钮的技术点。

       一开始我也认为FOC电机旋钮引入键盘的意义不大，特别是稚晖君提到为了引入它而要提供存储电量的额外电路来供电。并且键盘里引入一个电机已经很重了，如果再加上锂电池的重量......以便携为追求的我这样的懒人是极度拒绝的。后来我仔细学习了一下FOC电机，发现也不是不可以，而是把它当作一个独立于键盘的外设不参与便携的话似乎更加理想。例如今年初开源的SmartKnob^[8]和Super Dial^[9]。但作为顶流大佬，稚晖君将FOC电机引入键盘不会是草率的，一定有他的考虑，虽然USB供电和重量确实是很大的问题。所以我又仔细想了想，其实如果对于电机的反馈力要求不太大的话，降低驱动功率也是可以的，所以我决定拿PCB电机来试一试FOC的效果。PCB电机，是将电机定子设计在PCB上的低扭矩电机，公开可查的有两种技术路线，一种是压电陶瓷为基础的超声电机，主要应用在相机光圈自动对焦上，但国内目前网上采购这种贴片的压电陶瓷器件有困难，DIY的话被卡脖子了。所以我采用第二种PCB线圈方式的电机来测试。该技术路线最知名的是国外小哥^[10]开源的。但从他开源的资料看，立创工厂PCB的特价工艺和他是不符合，所以我另画了图纸打样。从测试视频可以看出当作为旋钮旋转时力矩是很小的，阻尼很小，磁传感器也很灵敏，就是固定它需要进一步改进结构设计。当作为受驱动元件时，PCB电机也能很好地受控转向（此处感谢light同学提供的PCB电机驱动程序和PID控制的有益讨论）。所以PCB电机作为替代“瀚文”键盘上的FOC电机是可行的，并且重量要轻便很多，唯一需要注意的是它提供不了大的扭力力矩，所以不适合极度需要力反馈体验的某些游戏功能的旋钮设计。

图9. PCB电机旋钮的重量和直径

      这样的话，如果我要以“八卦”键盘来“阿凡达”一台“瀚文键盘”，成本大致在600元左右，可以做到相似的功能。需要强调的是客制化键盘是创新设计到工业批量产品之间的一个过渡阶段，满足的是个性化的需求和创新设计的验证，必然不可能做到工业批量产品的价格和性能稳定性，所以客制化虽好，可不要贪杯哦。另外，客制化的许多创新设计是未来工业量产品的初级阶段，是帮助工业制成品完善客户需求的必经阶段，很多好的设计最后都进入了工业制成品，成为日常生活中平平无奇的事物。但它们诞生初期是如此的与众不同。所以大工业需要尊重自己的”婴儿形态“，不以大欺小。因为保护创新就是保护大工业的未来。