تصميم PCB لوحة المفاتيح: من تخطيط المفاتيح إلى التصنيع

يحدد التخطيط المادي للوحة الدوائر المطبوعة (PCB) مواضع المفاتيح. وتربط المصفوفة المفاتيح بالمتحكم، فيما تحوّل البرمجيات الثابتة قراءاتها إلى أحداث ضغط مفاتيح. قبل الطلب، تأكد من أن الأجزاء الثلاثة تصف لوحة المفاتيح نفسها.

مثال على PCB للوحة مفاتيح. تختلف اختيارات المكونات وتخطيطات اللوحات باختلاف التصميم.

بالنسبة إلى لوحة مفاتيح ميكانيكية مخصصة، فإن التسلسل الأكثر فائدة للتصميم هو:

1. تحديد مواضع المفاتيح والقيود الميكانيكية.
2. اختيار المفاتيح وطريقة تركيبها والمثبّتات.
3. ربط كل مفتاح بموضع في المصفوفة وبأطراف المتحكم.
4. ضبط البرمجيات الثابتة لتطابق الدائرة.
5. الفصل بين الملفات والأعمال اللازمة لتصنيع اللوحة وتجميع PCB والتجميع النهائي للوحة المفاتيح.

ابدأ بالتخطيط الميكانيكي

ضع المفاتيح بالاستعانة برسومات الأجزاء المحددة التي تنوي استخدامها. تحقّق من اتجاهها وبصمتها على اللوحة مقابل تخطيط المفاتيح، خصوصًا حول المفاتيح الأكبر التي تحتاج إلى مثبّتات.

يجب أن تتلاءم PCB أيضًا مع مجموعة ميكانيكية أكبر. قبل اعتماد التصميم، تحقّق من العناصر التالية معًا بدلًا من التعامل معها كأجزاء مستقلة:

• بصمات المفاتيح ومقابس التبديل السريع، إن استُخدمت، واتجاهاتها
• مواضع المثبّتات والخلوص حولها
• فتحات صفيحة التثبيت وطريقة دعمها
• سُمك اللوحة ومدى توافقه مع الأجزاء المختارة
• نقاط تثبيت الهيكل والخلوص الداخلي
• موضع الموصل وإمكانية الوصول إليه عبر الهيكل

على سبيل المثال، يُعد رسم مقبس Kailh CPG151101S11-16 ورسم مفتاح Kailh CPG1511F01S06 مرجعين لهذين الجزأين تحديدًا، وليس لكل مقبس أو مفتاح. استخدم رسومات الشركة المصنّعة المناسبة للأجزاء التي اخترتها، ثم تحقّق من توافق المجموعة الميكانيكية باستخدام نموذج أولي.

اللحام أم التبديل السريع؟

في التصميم الملحوم، تُوصَل المفاتيح بلوحة PCB أثناء التجميع. أما تصميم التبديل السريع فيستخدم مقابس متوافقة تُركّب على اللوحة، مما يسمح بإدخال المفاتيح بشكل منفصل. ويؤثر هذا الاختيار في كلٍّ من البصمة وخطة التجميع.

في تصميم التبديل السريع، تحقّق من موضع المقابس واتجاهها مقابل رسم المفتاح، وحدد الجهة التي ستورّد المقابس وتركّبها. وفي كلا التصميمين، قيّم كيفية دعم صفيحة التثبيت والهيكل وPCB للمفاتيح. لا تفترض أن تغيير البصمة وحده يضمن تجميعًا ميكانيكيًا صالحًا.

صمّم المصفوفة واختر المتحكم معًا

تربط مصفوفة المفاتيح المفاتيح بين شبكات الصفوف والأعمدة. وتمسح البرمجيات الثابتة هذه الشبكات لتحديد المواضع النشطة. يمكن أن يقلل ذلك عدد خطوط الإدخال والإخراج المطلوبة في المتحكم مقارنةً بتخصيص مدخل منفصل لكل مفتاح، لكنه يعني أيضًا أن المخطط والبرمجيات الثابتة يجب أن يتفقا على التعيين.

اختر المتحكم بعد حساب خطوط الإدخال والإخراج اللازمة للمصفوفة وأي وظائف أخرى مخططة. وراجع أيضًا الواجهة الفعلية ودعم البرمجيات الثابتة ومتطلبات الطاقة والحماية للتصميم. إن استخدام متحكم في مشروع لوحة مفاتيح آخر لا يثبت أنه يدعم تعيين الأطراف أو إعداد البرمجيات الثابتة في تصميمك.

الضغطات الوهمية واتجاه الدايود

من دون عزل، قد يؤدي الضغط على مجموعة من المفاتيح إلى إنشاء مسار غير مقصود عبر المصفوفة. وقد يسجّل نظام المسح حينها مفتاحًا لم يُضغط؛ وتُسمّى هذه الظاهرة الضغطات الوهمية (ghosting). على سبيل المثال، قد يؤدي الضغط على ثلاثة مفاتيح في ثلاث زوايا من مستطيل يتكون من صفين وعمودين إلى إنشاء مسار يبدو كأنه يفعّل الزاوية الرابعة.

يمكن لدايود موصول على التوالي مع كل مفتاح أن يمنع مسارات الضغطات الوهمية في المصفوفة، عندما تُصمَّم قطبيته ودائرة المسح بصورة متسقة. اتجاه الدايود ليس موحدًا في جميع التصاميم: بل يجب أن يطابق مسار التيار في المخطط وأسلوب المسح المختار في البرمجيات الثابتة.

كما أن منع مسارات الضغطات الوهمية في المصفوفة لا يمثل التعريف الكامل لقدرة تسجيل ضغطات جميع المفاتيح المتزامنة (N-key rollover أو NKRO). فما تستطيع لوحة المفاتيح الإبلاغ عنه يعتمد على العتاد والبرمجيات الثابتة والمضيف. تعامل مع تسجيل الضغطات المتزامنة بوصفه سلوكًا يجب التحقّق منه في التصميم النهائي، وليس نتيجة مضمونة لإضافة الدايودات.

مثال تطبيقي: مصفوفة من أربعة مفاتيح

فيما يلي تعيين افتراضي، وليس نتيجة قياس. تخيّل أربعة مفاتيح مرتبة في صفين وعمودين فعليين. يمسح المتحكم الصفوف النشطة عند المستوى المنخفض واحدًا تلو الآخر؛ وتحتوي الأعمدة على مقاومات سحب إلى المستوى المرتفع، بينما تكون الصفوف غير المحددة في حالة معاوقة عالية.

في هذه الدائرة المختارة، يمتد كل مسار من العمود عبر المفتاح والدايود إلى الصف. يتجه أنود الدايود نحو جانب المفتاح/العمود، ويتجه كاثوده نحو جانب الصف. ويجب ضبط البرمجيات الثابتة لتلائم هذه الدائرة وأسلوب المسح هذا.

C0 o---[SW1]---|>|---o R0
C1 o---[SW2]---|>|---o R0
C0 o---[SW3]---|>|---o R1
C1 o---[SW4]---|>|---o R1

يمثل كل اسم متكرر الشبكة نفسها: فعلى سبيل المثال، يتصل طرفا C0 بالعمود C0. في هذا الرسم، يبيّن الرمز |>| كل دايود بحيث يتجه خط الكاثود نحو الصف. يمسح المتحكم الصفوف ويقرأ الأعمدة المسحوبة إلى المستوى المرتفع؛ أما أطراف المتحكم المحددة فتُختار بشكل منفصل.

هنا، يُفترض أن يقرأ إحداثي البرمجيات الثابتة (0, 1) المفتاح SW2 ويُصدر W. ولا يزال هذا التوقع بحاجة إلى التحقّق على النموذج الأولي بعد تجميعه: فقد يؤدي دوران البصمة، أو تبديل شبكة بأخرى، أو وضع الدايود بصورة غير صحيحة، أو خطأ في تعيين البرمجيات الثابتة إلى نتيجة مختلفة.

يُعد دليل QMK بعنوان كيف تعمل مصفوفة لوحة المفاتيح ومرجع الإعدادات مصدرين أساسيين مفيدين لفهم مسح المصفوفة ومطابقة الإعدادات مع الدائرة المختارة. راجع وثائق البرمجيات الثابتة والإصدار اللذين تختارهما فعليًا.

تحقّق من تطابق المخطط مع البرمجيات الثابتة

قبل الطلب، تتبّع مفتاحًا واحدًا عبر أوصاف التصميم الثلاثة:

1. المخطط: يربط SW2 العمود C1 بالصف R0 عبر الدايود الخاص به؛ تحقّق من قطبية رمز الدايود وبصمته معًا.
2. تعيين الأطراف: سجّل أطراف المتحكم الفعلية المتصلة بـ R0 وC1. الاسمان R0 وC1 في هذا المثال هما اسما شبكتين، وليسا رقمي طرفين في وحدة التحكم الدقيقة (MCU).
3. البرمجيات الثابتة: عيّن الأطراف نفسها واتجاه مسح المصفوفة في البرمجيات الثابتة المختارة. تأكد من أن إحداثي المصفوفة (0, 1) يقابل حدث المفتاح المقصود.
4. النموذج الأولي: اضغط SW2 وتحقّق من أنه يُصدر W. ثم اختبر مجموعة مناسبة من ثلاثة مفاتيح، مثل SW1 وSW2 وSW3، وتحقّق من عدم تسجيل SW4 من تلقاء نفسه.

كرّر فحص المفتاح المفرد للمفاتيح الأخرى وسجّل النتائج الفعلية. الأحداث المتوقعة في الجدول هي خطة اختبار، وليست دليلًا على اجتياز PCB أو برمجيات ثابتة معينة للاختبار.

وجّه المسارات وراجع PCB

بمجرد استقرار المواضع الميكانيكية والمصفوفة، وجّه مسارات شبكات الصفوف والأعمدة ووصلها بأطراف المتحكم المقصودة. احرص على إمكانية تتبّع العلاقة بين المخطط والمعرّفات المرجعية للمكونات على PCB وتعيين البرمجيات الثابتة. راجع توجيه مسارات الموصل وتوصيلات الطاقة واحتياجات الحماية للواجهة المختارة، بدلًا من نسخها دون التحقّق من متطلبات المتحكم والنظام.

يتناول دليل تصميم PCB عملية التخطيط الأشمل. وبالنسبة إلى لوحة المفاتيح، أضف فحوصات خاصة بالمنتج:

• قارن بصمة كل مفتاح برسم الجزء المختار واتجاهه الفعلي.
• تحقّق من قطبية الدايود في المخطط وبصمة PCB ووثائق التجميع.
• تأكد من أن الخلوص حول المفاتيح والمثبّتات والمقابس والموصلات يتلاءم مع صفيحة التثبيت والهيكل.
• تحقّق من أن تعيينات أطراف المتحكم تطابق مصفوفة البرمجيات الثابتة.
• خطّط لإمكانية الوصول اللازمة للبرمجة والفحوصات الوظيفية التي تريد إجراءها.

يمثل النموذج الأولي المرحلة العملية للتحقّق من الملاءمة الميكانيكية والسلوك معًا. وتشمل الفحوصات المقترحة فحص اتجاه الدايودات، والتأكد من حدث كل مفتاح، وتجربة مجموعات مناسبة من المفاتيح، والتحقّق من ملاءمة الموصل والهيكل. سجّل النتائج الفعلية بصورة منفصلة عن التعيين المتوقع.

حدّد ما تطلبه

قد يتضمن مشروع لوحة المفاتيح ثلاثة نطاقات عمل متميزة:

1. تصنيع اللوحة العارية: تصنيع PCB وفق ملفات اللوحة المعتمدة ومتطلبات التصنيع.
2. تجميع PCB ‏(PCBA): تركيب المكونات الإلكترونية المتفق عليها على اللوحة.
3. التجميع النهائي للوحة المفاتيح: جمع PCB والمفاتيح أو المقابس وصفيحة التثبيت والمثبّتات والهيكل والأجزاء المختارة الأخرى وفق الاتفاق.

لا تفترض أن طلب أحد نطاقات العمل يشمل النطاقات الأخرى. اتفق بصورة منفصلة على توريد المكونات وتركيبها واختبارها، بما في ذلك ما إذا كانت المفاتيح أو المقابس أو الموصلات جزءًا من العمل المطلوب.

بالنسبة إلى اللوحة، أعدّ ملفات التصنيع الناتجة وراجعها مقابل التصميم. يشرح دليل ما هو ملف Gerber جزءًا من عملية تسليم ملفات التصنيع. ولتجميع PCB، قدّم قائمة مواد (BOM) واضحة ومعلومات مواضع المكونات ورسومات التجميع؛ راجع كيفية إعداد قائمة مواد لتجميع PCB بنظام تسليم المفتاح وأساسيات رسم التجميع. حدّد الأجزاء الحساسة للقطبية وأي أجزاء يجب تركها دون تركيب.

قبل اعتماد الملفات، استخدم قائمة التحقّق من التصميم من أجل التجميع لمراجعة حزمة الملفات ككل. إذا كنت بحاجة إلى مساعدة في تحديد العمل، فصِف نطاق التصنيع والتجميع والاختبار المطلوب عند طلب عرض سعر، أو تواصل مع APTPCB لطرح أسئلة التصميم التي تحتاج إلى إجابات عنها.