Il layout fisico del PCB di una tastiera determina la posizione dei tasti. La matrice collega gli switch al controller e il firmware trasforma le letture in eventi dei tasti. Prima di effettuare l’ordine, assicurarsi che tutti e tre descrivano la stessa tastiera.

Un esempio di PCB per tastiera. La scelta dei componenti e il layout della scheda variano a seconda del progetto.

Per una tastiera meccanica personalizzata, la sequenza di progettazione più utile è la seguente:

Definire le posizioni dei tasti e i vincoli meccanici.
Scegliere gli switch, il metodo di montaggio e gli stabilizzatori.
Associare ogni switch a una posizione nella matrice e a un pin del controller.
Configurare il firmware in modo che corrisponda al circuito.
Distinguere i file e le attività necessari per la fabbricazione della scheda, l’assemblaggio del PCB e l’assemblaggio finale della tastiera.

Iniziare dal layout meccanico

Posizionare gli switch utilizzando i disegni dei componenti esatti che si intende usare. Verificarne l’orientamento e il footprint rispetto al layout dei tasti, soprattutto in prossimità dei tasti più grandi che richiedono stabilizzatori.

Il PCB deve anche integrarsi in un insieme meccanico più ampio. Prima del rilascio, verificare congiuntamente i seguenti elementi, anziché considerarli come parti indipendenti:

Footprint e orientamento degli switch e, se utilizzati, dei socket hot-swap
Posizioni e spazi liberi degli stabilizzatori
Aperture e supporto della piastra
Spessore della scheda e sua interazione con i componenti scelti
Punti di fissaggio del case e spazi liberi interni
Posizione del connettore e possibilità di accesso attraverso il case

Per esempio, il disegno del socket CPG151101S11-16 e il disegno dello switch CPG1511F01S06 di Kailh sono riferimenti per quei precisi componenti, non per tutti i socket o switch. Utilizzare i disegni del produttore pertinenti ai componenti scelti, quindi verificare l’insieme con un prototipo.

Saldato o hot-swap?

In un progetto saldato, gli switch vengono collegati al PCB durante l’assemblaggio. Un progetto hot-swap utilizza socket compatibili installati sulla scheda, che consentono di inserire gli switch separatamente. La scelta modifica sia il footprint sia il piano di assemblaggio.

Per una soluzione hot-swap, verificare la posizione e l’orientamento dei socket rispetto al disegno dello switch e decidere chi fornisce e installa i socket. In entrambi i casi, valutare come la piastra, il case e il PCB sostengono gli switch. Non presumere che la sola modifica del footprint garantisca un assemblaggio meccanico funzionale.

Progettare la matrice e scegliere il controller insieme

Una matrice di tasti collega gli switch tra le reti di riga e di colonna. Il firmware esegue la scansione di queste reti per identificare le posizioni attive. Questo può ridurre il numero di linee di I/O necessarie sul controller rispetto all’assegnazione di un ingresso separato a ogni switch, ma significa anche che schema elettrico e firmware devono concordare sulla mappatura.

Scegliere un controller dopo aver contato gli I/O necessari per la matrice e per tutte le altre funzioni previste. Esaminare anche l’interfaccia effettiva, il supporto firmware e i requisiti di alimentazione e protezione del progetto. La presenza di un controller in un altro progetto di tastiera non dimostra che supporti l’assegnazione dei pin o la configurazione firmware scelta.

Ghosting e direzione dei diodi

In assenza di isolamento, una combinazione di switch premuti può creare un percorso indesiderato attraverso una matrice. Il sistema di scansione può quindi registrare un tasto che non è stato premuto: questo fenomeno è detto ghosting. Per esempio, tre switch premuti in tre angoli di un rettangolo formato da due righe e due colonne possono creare un percorso che sembra attivare il quarto angolo.

Un diodo in serie a ogni switch può impedire questi percorsi di ghosting nella matrice quando la sua polarità e il circuito di scansione sono progettati in modo coerente. La direzione del diodo non è universale: deve corrispondere al percorso della corrente nello schema elettrico e alla convenzione di scansione del firmware scelta.

Impedire i percorsi di ghosting nella matrice non esaurisce inoltre la definizione di N-key rollover (NKRO). Ciò che la tastiera può segnalare dipende dall’hardware, dal firmware e dall’host. Il rollover va considerato un comportamento da verificare nel progetto finito, non una conseguenza garantita dall’aggiunta di diodi.

Esempio pratico: una matrice a quattro tasti

Quella che segue è una mappatura ipotetica, non un risultato misurato. Si immagini di avere quattro tasti disposti in due righe fisiche e due colonne. Il controller esegue la scansione delle righe attive a livello basso una alla volta; le colonne hanno resistenze di pull-up e le righe non selezionate sono ad alta impedenza.

Nel circuito scelto, ogni percorso va dalla colonna alla riga attraverso lo switch e il diodo. L’anodo del diodo è rivolto verso il lato switch/colonna e il catodo verso il lato riga. Il firmware deve essere configurato per questo circuito e per questa convenzione di scansione.

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

Ogni etichetta ripetuta rappresenta la stessa rete: per esempio, entrambe le estremità C0 sono collegate alla colonna C0. In questo schema, |>| rappresenta ogni diodo con la barra del catodo rivolta verso la riga. Il controller esegue la scansione delle righe e legge le colonne mantenute a livello alto dai pull-up; la scelta dei pin effettivi del controller è separata.

Posizione fisica	Switch	Posizione nella matrice	Orientamento del diodo	Coordinata firmware	Evento del tasto previsto
In alto a sinistra	SW1	R0, C0	Anodo verso C0; catodo verso R0	(0, 0)	Q
In alto a destra	SW2	R0, C1	Anodo verso C1; catodo verso R0	(0, 1)	W
In basso a sinistra	SW3	R1, C0	Anodo verso C0; catodo verso R1	(1, 0)	A
In basso a destra	SW4	R1, C1	Anodo verso C1; catodo verso R1	(1, 1)	S

In questo caso, la coordinata firmware (0, 1) è destinata a leggere SW2 e a emettere W. Questa previsione deve comunque essere verificata sul prototipo assemblato: una rotazione del footprint, una rete scambiata, un posizionamento errato del diodo o un errore nella mappatura del firmware potrebbero produrre un risultato diverso.

La guida di QMK Come funziona una matrice di tastiera e il riferimento di configurazione sono utili fonti primarie per comprendere la scansione della matrice e adeguare la configurazione al circuito scelto. Consultare la documentazione del firmware e della versione effettivamente selezionati.

Verificare lo schema elettrico rispetto al firmware

Prima di effettuare l’ordine, seguire il percorso di uno switch attraverso tutte e tre le descrizioni del progetto:

Schema elettrico: SW2 collega la colonna C1 alla riga R0 attraverso il suo diodo; verificare insieme la polarità del simbolo e quella del footprint del diodo.
Assegnazione dei pin: Annotare quali pin effettivi del controller sono collegati a R0 e C1. I nomi R0 e C1 in questo esempio sono nomi di reti, non numeri di pin dell’MCU.
Firmware: Assegnare gli stessi pin e la stessa direzione di scansione della matrice nel firmware scelto. Confermare che la coordinata della matrice (0, 1) corrisponda all’evento del tasto previsto.
Prototipo: Premere SW2 e verificare che produca W. Provare quindi una combinazione pertinente di tre tasti, come SW1, SW2 e SW3, e verificare che SW4 non venga registrato da solo.

Ripetere la verifica del singolo tasto per gli altri switch e registrare i risultati effettivi. Gli eventi previsti nella tabella costituiscono un piano di test, non la prova che un determinato PCB o firmware abbia superato la verifica.

Sbrogliatura e verifica del PCB

Una volta stabilizzate le posizioni meccaniche e la matrice, sbrogliare le reti di riga e di colonna e collegarle ai pin previsti del controller. Mantenere la tracciabilità reciproca tra schema elettrico, designatori sul PCB e mappatura del firmware. Esaminare lo sbroglio del connettore, i collegamenti di alimentazione e le esigenze di protezione dell’interfaccia scelta, anziché copiarli senza verificare i requisiti del controller e del sistema.

La guida alla progettazione PCB illustra il processo di layout più generale. Per una tastiera, aggiungere verifiche specifiche per il prodotto:

Confrontare il footprint di ogni switch con il disegno del componente scelto e con il suo orientamento fisico.
Verificare la polarità dei diodi nello schema elettrico, nel footprint del PCB e nella documentazione di assemblaggio.
Confermare che gli spazi liberi di switch, stabilizzatori, socket e connettori siano compatibili con la piastra e il case.
Verificare che le assegnazioni dei pin del controller corrispondano alla matrice del firmware.
Prevedere l’accesso necessario per la programmazione e per le verifiche funzionali che si desidera eseguire.

Il prototipo è il momento pratico in cui verificare sia la compatibilità meccanica sia il comportamento. Le verifiche proposte comprendono l’ispezione dell’orientamento dei diodi, la conferma di ogni evento dei tasti, la prova di combinazioni pertinenti di più tasti e il controllo dell’accoppiamento con il connettore e il case. Registrare i risultati effettivi separatamente dalla mappatura prevista.

Definire l’oggetto dell’ordine

Un progetto di tastiera può comprendere tre ambiti distinti:

Fabbricazione della scheda nuda: produrre il PCB a partire dai file della scheda rilasciati e dai requisiti di fabbricazione.
Assemblaggio del PCB (PCBA): installare sulla scheda i componenti elettronici concordati.
Assemblaggio finale della tastiera: riunire PCB, switch o socket, piastra, stabilizzatori, case e altri componenti scelti secondo quanto concordato.

Non presumere che una richiesta relativa a un ambito includa gli altri. Concordare separatamente la fornitura dei componenti, l’installazione e i test, specificando anche se switch, socket o connettori fanno parte del lavoro richiesto.

Per la scheda, preparare i file di produzione e verificarli rispetto al progetto. La guida su che cos’è un file Gerber spiega una parte di questo passaggio di consegne. Per il PCBA, fornire una BOM chiara, le informazioni di posizionamento dei componenti e i disegni di assemblaggio; consultare come preparare una BOM per l’assemblaggio PCB chiavi in mano e gli elementi essenziali dei disegni di assemblaggio. Identificare i componenti sensibili alla polarità e quelli da lasciare non installati.

Prima del rilascio, utilizzare la checklist di progettazione per l’assemblaggio per esaminare il pacchetto nel suo insieme. Se occorre aiuto per definire il lavoro, descrivere l’ambito desiderato per fabbricazione, assemblaggio e test quando si richiede un preventivo, oppure contattare APTPCB indicando le questioni progettuali da risolvere.