Механическая компоновка печатной платы клавиатуры определяет расположение клавиш. Матрица соединяет переключатели с контроллером, а прошивка преобразует результаты сканирования в события нажатия клавиш. Перед заказом убедитесь, что все три части соответствуют одной и той же клавиатуре.

Пример печатной платы клавиатуры. Выбор компонентов и компоновка платы зависят от конструкции.

При проектировании механической клавиатуры на заказ удобнее всего придерживаться следующей последовательности:

Зафиксировать расположение клавиш и механические ограничения.
Выбрать переключатели, способ их крепления и стабилизаторы.
Сопоставить каждый переключатель с позицией в матрице и выводом контроллера.
Настроить прошивку в соответствии со схемой.
Разграничить файлы и работы, необходимые для изготовления платы, монтажа компонентов и окончательной сборки клавиатуры.

Начните с механической компоновки

Размещайте переключатели по чертежам именно тех компонентов, которые планируете использовать. Проверьте их ориентацию и посадочные места относительно раскладки клавиш, особенно рядом с крупными клавишами, которым нужны стабилизаторы.

Печатная плата также должна вписываться в общую механическую конструкцию. Перед выпуском проекта проверьте следующие элементы совместно, а не по отдельности:

Посадочные места и ориентацию переключателей и, если они используются, панелек горячей замены
Расположение стабилизаторов и необходимые зазоры
Отверстия в монтажной пластине и опору для компонентов
Толщину платы и её совместимость с выбранными деталями
Точки крепления корпуса и внутренние зазоры
Положение разъёма и доступ к нему через корпус

Например, чертёж панельки CPG151101S11-16 и чертёж переключателя CPG1511F01S06 компании Kailh относятся именно к этим компонентам, а не ко всем панелькам или переключателям. Используйте соответствующие чертежи производителей для выбранных вами деталей, а затем проверьте конструкцию на прототипе.

Пайка или горячая замена?

В конструкции с пайкой переключатели подключаются к печатной плате в процессе сборки. В конструкции с горячей заменой на плате устанавливаются совместимые панельки, в которые переключатели вставляются отдельно. Этот выбор влияет как на посадочное место, так и на план сборки.

Для горячей замены проверьте расположение и ориентацию панелек по чертежу переключателя и определите, кто будет поставлять и устанавливать панельки. В обоих вариантах оцените, как монтажная пластина, корпус и печатная плата поддерживают переключатели. Не предполагайте, что одного изменения посадочного места достаточно для создания работоспособной механической конструкции.

Проектируйте матрицу и выбирайте контроллер совместно

Матрица клавиш соединяет переключатели между цепями строк и столбцов. Прошивка сканирует эти цепи, чтобы определить активные позиции. По сравнению с назначением отдельного входа каждому переключателю это может сократить необходимое число линий ввода-вывода контроллера, но при этом схема и прошивка должны согласованно описывать соединения.

Выбирайте контроллер после подсчёта линий ввода-вывода, необходимых для матрицы и других запланированных функций. Также проверьте требования к выбранному интерфейсу, поддержке прошивки, питанию и защите устройства. Использование контроллера в другом проекте клавиатуры не означает, что он поддерживает назначение выводов или конфигурацию прошивки вашего проекта.

Ложные нажатия и направление диодов

При отсутствии развязки сочетание нажатых переключателей может создать в матрице непредусмотренный путь тока. В результате система сканирования может зарегистрировать клавишу, которую не нажимали; это явление называется гостингом. Например, три нажатых переключателя в трёх углах прямоугольника из двух строк и двух столбцов могут создать путь, который выглядит как нажатие четвёртого переключателя.

Диод, включённый последовательно с каждым переключателем, может предотвратить такие ложные пути в матрице, если его полярность и схема сканирования согласованы между собой. Универсального направления диода нет: оно должно соответствовать пути тока в схеме и выбранному в прошивке принципу сканирования.

Предотвращение ложных путей в матрице также не исчерпывает понятие N-key rollover (NKRO). Возможности клавиатуры по передаче нажатий зависят от аппаратной части, прошивки и хоста. Рассматривайте rollover как характеристику, которую необходимо проверить в готовом устройстве, а не как результат, гарантированный установкой диодов.

Пример: матрица из четырёх клавиш

Ниже приведено гипотетическое сопоставление, а не результат измерений. Представим четыре клавиши, расположенные в двух физических рядах и двух столбцах. Контроллер сканирует строки по одной, устанавливая на выбранной строке низкий активный уровень; столбцы подтянуты к высокому уровню, а невыбранные строки находятся в высокоимпедансном состоянии.

В этой выбранной схеме каждый путь проходит от столбца через переключатель и диод к строке. Анод диода обращён к переключателю и столбцу, а его катод — к строке. Прошивку необходимо настроить в соответствии с этой схемой и принципом сканирования.

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

Каждая повторяющаяся метка обозначает одну и ту же цепь: например, оба конца с меткой C0 подключены к столбцу C0. В этом эскизе обозначение |>| показывает каждый диод с чертой катода, обращённой к строке. Контроллер сканирует строки и считывает столбцы с подтяжкой к высокому уровню; конкретные выводы контроллера выбираются отдельно.

Физическое расположение	Переключатель	Позиция в матрице	Ориентация диода	Координата в прошивке	Ожидаемое событие клавиши
Вверху слева	SW1	R0, C0	Анод к C0; катод к R0	(0, 0)	Q
Вверху справа	SW2	R0, C1	Анод к C1; катод к R0	(0, 1)	W
Внизу слева	SW3	R1, C0	Анод к C0; катод к R1	(1, 0)	A
Внизу справа	SW4	R1, C1	Анод к C1; катод к R1	(1, 1)	S

Здесь предполагается, что координата прошивки (0, 1) соответствует считыванию SW2 и выдаче W. Это предположение всё равно необходимо проверить на собранном прототипе: поворот посадочного места, перепутанная цепь, неправильная установка диода или ошибка сопоставления в прошивке могут привести к другому результату.

Документы QMK «Как работает матрица клавиатуры» и справочник по конфигурации — полезные первоисточники для понимания сканирования матрицы и согласования конфигурации с выбранной схемой. Обращайтесь к документации именно той прошивки и версии, которую вы выберете.

Сверьте схему с прошивкой

Перед заказом проследите один переключатель по всем трём описаниям проекта:

Схема: SW2 соединяет столбец C1 со строкой R0 через диод; совместно проверьте полярность условного обозначения и посадочного места диода.
Назначение выводов: Запишите, какие именно выводы контроллера подключены к R0 и C1. Имена R0 и C1 в этом примере — названия цепей, а не номера выводов микроконтроллера.
Прошивка: Назначьте те же выводы и направление сканирования матрицы в выбранной прошивке. Убедитесь, что координата матрицы (0, 1) соответствует нужному событию клавиши.
Прототип: Нажмите SW2 и убедитесь, что выдаётся W. Затем проверьте подходящую комбинацию из трёх клавиш, например SW1, SW2 и SW3, и убедитесь, что SW4 не регистрируется сама по себе.

Повторите проверку одиночного нажатия для остальных переключателей и запишите фактические результаты. Ожидаемые события в таблице — это план испытаний, а не подтверждение того, что конкретная плата или прошивка прошла проверку.

Выполните трассировку и проверьте печатную плату

Когда механическое расположение и матрица окончательно определены, выполните трассировку цепей строк и столбцов и подключите их к назначенным выводам контроллера. Обеспечьте возможность сопоставить схему, позиционные обозначения на плате и назначения в прошивке. Проверяйте трассировку разъёмов, подключение питания и необходимость защиты для выбранного интерфейса, а не копируйте их без проверки требований контроллера и системы.

Руководство по проектированию печатных плат описывает процесс компоновки в целом. Для клавиатуры добавьте проверки, специфичные для этого изделия:

Сравните каждое посадочное место переключателя с чертежом выбранной детали и её физической ориентацией.
Проверьте полярность диодов на схеме, в посадочных местах платы и в сборочной документации.
Убедитесь, что зазоры для переключателей, стабилизаторов, панелек и разъёмов соответствуют монтажной пластине и корпусу.
Проверьте, что назначение выводов контроллера соответствует матрице в прошивке.
Предусмотрите доступ для программирования и необходимых вам функциональных проверок.

Прототип — практическая возможность проверить как сборку, так и работу устройства. Рекомендуется проверить ориентацию диодов, подтвердить событие каждой клавиши, испытать подходящие сочетания нескольких клавиш и проверить посадку разъёмов и соответствие корпусу. Записывайте фактические результаты отдельно от ожидаемого сопоставления.

Определите состав заказа

Проект клавиатуры может включать три отдельных вида работ:

Изготовление печатной платы без компонентов: производство платы по выпущенным файлам платы и требованиям к изготовлению.
Монтаж компонентов на печатную плату (PCBA): установка согласованных электронных компонентов на плату.
Окончательная сборка клавиатуры: соединение платы, переключателей или панелек, монтажной пластины, стабилизаторов, корпуса и других выбранных деталей в соответствии с договорённостью.

Не предполагайте, что заказ одного вида работ включает остальные. Отдельно согласуйте поставку, установку и проверку компонентов, в том числе то, входят ли переключатели, панельки или разъёмы в состав заказанных работ.

Для платы подготовьте производственные файлы и сверьте их с проектом. В статье что такое файл Gerber объясняется одна из частей этого комплекта. Для PCBA предоставьте понятную спецификацию компонентов (BOM), данные о размещении компонентов и сборочные чертежи; см. статьи как подготовить BOM для сборки печатных плат под ключ и основы сборочного чертежа. Обозначьте компоненты, чувствительные к полярности, а также те, которые не следует устанавливать.

Перед выпуском проекта проверьте комплект в целом с помощью контрольного списка проектирования с учётом сборки. Если вам нужна помощь в определении состава работ, опишите необходимые изготовление, сборку и испытания при запросе расчёта стоимости или свяжитесь с APTPCB по вопросам проекта, которые необходимо решить.