瀚文键盘硬件电路MCU部分（基于STM32F103C8T6）—— 从入门到精通

发布于：2025-06-10 ⋅ 阅读:(343) ⋅ 点赞:(0)

瀚文键盘硬件电路MCU部分（基于STM32F103C8T6）—— 从入门到精通

前言

键盘作为我们日常使用频率最高的输入设备之一，其内部电路设计是怎样的呢？本文将以STM32F103C8T6为核心，深入浅出地讲解瀚文键盘的硬件电路设计，适合电子爱好者、嵌入式开发初学者以及对键盘DIY感兴趣的朋友学习参考。

一、整体架构与模块划分

瀚文键盘电路主要分为三大模块：MCU模块（大脑）、电源模块（动力）和连接模块（神经）。三者协同工作，共同实现键盘的各项功能。下面我们逐一详解：

1. MCU模块（核心控制单元）

MCU是键盘的"大脑"，负责按键扫描、数据处理和USB通信等核心功能。

1.1 主控芯片
  • 芯片型号：STM32F103C8T6（LQFP-48封装）
  • 处理器：ARM Cortex-M3内核，主频最高72MHz
  • 闪存/RAM：64KB Flash，20KB SRAM
  • 主要功能：执行键盘固件，进行按键扫描、处理按键数据、实现USB通信等

MCU模块电路图

1.2 引脚功能详解
电源与复位相关引脚
引脚名称 功能描述
VBAT 备用电池输入（接3V纽扣电池），为RTC提供掉电保护，确保时间不丢失
VCC_3V3 3.3V主电源输入，为MCU内核及外设供电（如1、48脚）
GND 接地引脚（47、45、44脚等），提供电路参考地，确保信号稳定
NRST 复位引脚（8脚），低电平触发MCU复位，外接RC电路实现上电自动复位
时钟系统引脚
引脚名称 功能描述
OSC32_IN/OUT 32.768kHz晶振接口（4、5脚），为RTC提供精准时钟源
OSC_IN/OUT 主系统晶振接口（6、7脚），连接8MHz晶振，内部PLL可倍频至72MHz

知识拓展：STM32的时钟系统非常灵活，主晶振（HSE）为8MHz，通过内部PLL可以倍频至72MHz作为系统主频。而32.768kHz的晶振（LSE）主要用于RTC精确计时，即使MCU进入低功耗模式，时钟依然保持运行。

通信接口引脚
  1. USB接口（键盘核心通信方式）
引脚名称 功能描述
USB_D_P USB差分正信号（33脚，PA12），组成USB 2.0接口
USB_D_N USB差分负信号（32脚，PA11），与D+配合实现USB通信
  1. UART接口（调试与扩展用）
引脚名称 功能描述
UART_TX 串口发送（30脚，PA9），输出调试信息或配置数据
UART_RX 串口接收（31脚，PA10），接收外部配置指令
  1. SPI接口（按键扫描扩展）
引脚名称 功能描述
SPI1_CLK SPI1时钟（15脚，PA5），同步数据传输
SPI1_MISO SPI1主入从出（16脚，PA6），接收按键状态数据
SPI2_MOSI SPI2主出从入（27脚，PB15），用于扩展其他外设
SPI2_CLK SPI2时钟（26脚，PB13），与MOSI配合使用
键盘扫描专用引脚
引脚名称 功能描述
SCAN_PL 列扫描控制（39脚），通过高低电平切换，逐列扫描键盘矩阵
SCAN_CE 列扫描使能（40脚），配合SCAN_PL实现多列扫描
FN_KEY 功能键输入（17脚，PA7），检测Fn等特殊功能键的状态

实操指南：在实际开发中，键盘矩阵扫描一般采用"行列扫描法"。例如8×8的矩阵，只需16个GPIO，就能检测64个按键。通常将列设为输出（逐列置低），行设为上拉输入（检测低电平）。

调试接口引脚
引脚名称 功能描述
SWCLK SWD调试时钟（37脚），用于程序下载和在线调试
SWDIO SWD调试数据（36脚），双向传输调试指令和数据
1.3 关键电路组件
  • 滤波电容：C5-C8（100nF）并联，滤除电源噪声，确保MCU稳定工作
  • 时钟电路：8MHz晶振（X1）提供系统主时钟，确保MCU精确计时
  • 复位电路：RC电路（R8=10kΩ、C4=100nF）实现上电自动复位和手动复位功能

2. 电源模块（POWER）

电源是整个键盘的"心脏"，负责提供稳定的工作电压。

电源模块电路图

2.1 电源管理组件

  • USB供电电路：

    • USB_PORT_U：连接电脑USB端口，输入5V电源
    • R9、R10（22Ω）：USB信号线串联电阻，匹配阻抗，减少干扰
    • R11（1.5kΩ）：USB上拉电阻，确定设备识别模式

  • 电压转换器：

    • U14（XC6201B332MR）：低压差线性稳压器，将5V转换为3.3V
    • C11-C12（100nF）：输入/输出滤波电容，消除纹波，稳定电压

  • 电池扩展：

    • VCC_BAT引脚：预留电池接口，支持锂电池供电（需外接充电电路）

知识拓展：LDO（Low Dropout Regulator，低压差线性稳压器）如XC6201，与开关稳压器相比，输出电压更纯净，纹波小，但效率较低。键盘等数字电路对供电质量要求高，常采用LDO方案。

2.2 供电方案设计考量
  1. 双电源设计：既可USB供电，又可电池供电，适应不同使用场景
  2. 电源滤波：多级滤波电容（100nF）配置，确保数字电路稳定工作
  3. 低功耗考量：支持电池供电模式下的低功耗运行

3. 连接模块（CONN）

连接模块是键盘的"神经系统"，负责将各个部分连接起来，实现信息传递。

连接模块电路图

3.1 接口组件

  • FPC连接器（FPC2）：

    • 用途：连接柔性电路板（FPC），如键盘矩阵、扩展模块
    • 信号：引出UART_TX/RX、VCC_BAT等多种信号，支持功能扩展
    • 优势：便于拆装，可靠性高，适合模块化设计

  • 调试/扩展接口（U15）：

    • 功能：提供SWCLK等调试引脚，支持固件烧录和在线调试
    • 扩展性：预留接口可连接传感器或其他功能模块
3.2 接口设计要点
  1. 模块化思想：核心板与功能板分离，便于维护和升级
  2. 信号完整性：关键信号走线短且粗，减少干扰
  3. 可扩展性：预留足够接口，支持功能模块增加

二、键盘工作原理详解

1. 按键检测流程

  1. 初始化阶段：

    • 配置GPIO：列引脚（SCAN_PL、SCAN_CE）设为输出，行引脚设为上拉输入
    • 初始化SPI：设置通信参数，准备接收按键数据
    • 初始化USB：注册HID设备，准备发送按键报告

  2. 扫描过程：

    // 键盘扫描函数示例代码
void Keyboard_Scan(void)
{
    uint8_t col, row;
    uint8_t keymap[8][8]; // 存储按键状态的数组，8×8矩阵示例
    
    for(col = 0; col < 8; col++) // 逐列扫描
    {
        // 选择当前列，其他列置高
        GPIO_ResetBits(GPIOA, SCAN_PL_PIN); // 列选信号低电平有效
        SPI_Write(0x01 << col); // 通过移位寄存器选择当前列
        GPIO_SetBits(GPIOA, SCAN_PL_PIN); // 锁存列选状态
        
        delay_us(10); // 延时等待信号稳定
        
        // 读取所有行状态
        uint8_t row_data = SPI_Read(); // 通过SPI读取行状态
        
        // 保存按键状态
        for(row = 0; row < 8; row++)
        {
            keymap[row][col] = (row_data & (0x01 << row)) ? 0 : 1; // 低电平表示按下
        }
    }
    
    // 处理按键数据，生成USB报告
    Process_Keys(keymap);
}

  3. 去抖动处理：

    • 连续多次采样确认按键状态，滤除机械抖动
    • 时间窗口法：按键状态变化需在特定时间窗口内保持稳定

  4. 按键上报：

    • 检测按键状态变化（按下/释放）
    • 生成USB HID报告，通过USB发送给电脑

2. USB通信实现

// USB HID键盘报告结构
typedef struct {
    uint8_t modifier;  // 修饰键状态（Shift, Ctrl, Alt等）
    uint8_t reserved;  // 保留字节
    uint8_t keycode[6]; // 最多支持6个普通按键同时按下
} USB_KeyboardReport_t;

// 发送按键报告示例
void Send_KeyboardReport(uint8_t *keys, uint8_t modifier)
{
    USB_KeyboardReport_t report;
    
    report.modifier = modifier; // 设置修饰键状态
    report.reserved = 0;
    
    // 复制按键码
    for(uint8_t i = 0; i < 6; i++)
    {
        report.keycode[i] = keys[i];
    }
    
    // 通过USB发送报告
    USBD_HID_SendReport(&hUsbDeviceFS, (uint8_t*)&report, sizeof(report));
}

三、实践与拓展

1. 键盘固件开发流程

  1. 环境搭建：

    • 安装STM32 CubeIDE或Keil MDK
    • 安装ST-Link驱动和调试工具

  2. 固件框架搭建：

    /* main.c - 主程序框架 */
int main(void)
{
    // 系统初始化
    HAL_Init(); // 初始化HAL库
    SystemClock_Config(); // 配置系统时钟，最高72MHz
    
    // 外设初始化
    MX_GPIO_Init(); // 初始化GPIO（行列扫描用）
    MX_SPI1_Init(); // 初始化SPI（读取行状态）
    MX_USB_DEVICE_Init(); // 初始化USB设备
    
    // 主循环
    while (1)
    {
        Keyboard_Scan(); // 扫描键盘矩阵
        HAL_Delay(10); // 10ms扫描间隔，根据需要调整
    }
}

  3. 调试技巧：

    • 使用串口输出调试信息：printf("按键状态: %d\r\n", key_state);
    • 利用LED指示工作状态：按键检测到时闪烁
    • 使用逻辑分析仪观察扫描时序

2. 功能拓展思路

  1. 多媒体键支持：

    • 通过Fn组合键实现音量控制、播放/暂停等
    • 需增加额外的HID报告描述符支持多媒体按键

  2. RGB背光效果：

    • 添加WS2812B等RGB LED
    • 通过PWM控制亮度和颜色
    • 实现呼吸灯、渐变色等效果

  3. OLED显示模块：

    • 通过SPI接口连接小型OLED显示屏
    • 显示当前按键层、Caps Lock状态等

  4. 无线功能：

    • 增加蓝牙模块（如HC-05）或2.4G无线模块
    • 实现USB/蓝牙双模键盘

四、总结

瀚文键盘基于STM32F103C8T6的硬件设计，展示了嵌入式系统在输入设备中的应用。通过合理的模块划分和接口设计，实现了功能丰富、扩展性强的键盘电路。核心MCU模块负责数据处理，电源模块提供稳定供电，连接模块实现灵活扩展。

这套设计充分利用了STM32的丰富外设和高性能，既保证了键盘的基本功能，又为DIY爱好者提供了广阔的发挥空间。通过对键盘工作原理的深入了解，我们不仅能更好地使用键盘，还能根据个人需求进行定制和改进。

希望本文能对电子设计爱好者和嵌入式开发者有所帮助，如有问题，欢迎在评论区讨论交流！

参考资料

  1. STM32F103系列参考手册
  2. HID设备类规范1.11版
  3. 键盘矩阵扫描原理与实现方法

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