APM32小系统键盘PCB原理图设计详解

一、APM32小系统简介

APM32微控制器是国内半导体厂商推出的一款高性能ARM Cortex-M3内核微控制器，与STM32高度兼容，非常适合DIY爱好者用于自制键盘、开发板等电子项目。本文将详细讲解如何基于APM32 CBT6芯片设计一款具备RGB灯光效果和旋钮功能的小型机械键盘PCB。

APM32与STM32的对比优势

APM32系列微控制器在硬件设计和软件开发上与STM32几乎完全兼容，可以直接替换使用，且具有明显的价格优势：

APM32F103CBT6：主流国产型号，约5.6元/片
STM32F103C8T6：传统进口型号，约8元左右/片

不仅价格更实惠，APM32 CBT6相比STM32F103C8T6在性能和存储容量上还有提升：

Flash容量：128KB（比C8T6的64KB更大）
RAM容量：20KB（更充足的运行内存）
工作频率：最高可达72MHz
供电电压：2.0V~3.6V（低功耗设计）

这些特性使APM32成为键盘设计中更具性价比的选择。

可用引脚资源详解

APM32 CBT6采用LQFP48封装，提供了丰富的IO资源。在实际应用中，需要清楚了解哪些引脚可用于按键矩阵、灯光控制和旋钮编码器：

APM32引脚图

可用引脚说明：

总共48个引脚，实际可用IO引脚约31个
不建议使用的引脚：
- PC13~PC15：连接外部32.768KHz晶振，不宜用于高频切换场景
- PA0：常用于唤醒功能，建议保留

推荐使用的引脚：

PA1~PA15系列（除PA0外）
PB0~PB15全系列
部分PC系列引脚

APM32引脚详细说明

二、键盘PCB原理图设计全流程

1. 键盘矩阵设计详解

键盘矩阵是机械键盘的核心部分，采用行列扫描方式减少所需引脚数量。我们设计一个5行4列的矩阵，总共可支持20个按键：

// 键盘矩阵设计说明
// 矩阵结构：5行(ROW0~ROW4) × 4列(COL0~COL3)
// 工作原理：MCU通过扫描行线和列线的交点状态检测按键按下
// 优势：大幅减少所需IO引脚，5+4=9个引脚即可控制20个按键
// 缺点：需要加入二极管防止按键冲突(ghosting)问题

矩阵布局设计步骤：

打开PCB设计软件（如立创EDA专业版）
在元件库中选择凯华热插拔轴座（带WS2812B灯珠位）
放置一个轴座后，使用"阵列复制"功能进行批量布局：
- 菜单位置：编辑 → 阵列复制
- 行数设置：5行
- 列数设置：4列
- 行距与列距：均设为200mil（符合键盘标准间距）
确认后软件会自动生成完整的5×4矩阵布局

键盘矩阵设计图

2. 二极管连接与防冲突设计

机械键盘需要为每个按键添加一个二极管以防止"鬼键"现象（多个按键同时按下时产生的误触发）：

二极管选型与连接：

选择1N4148二极管（SOD323贴片封装）
- 特点：体积小、开关特性好、正向压降约0.7V
- 重要提示：建议选择嘉立创基础库中的元件，避免PCB打样时产生额外的换料费用
批量放置二极管的方法：
- 放置一个1N4148二极管
- 同样使用"阵列复制"功能，设置与按键矩阵相同的行列数
- 注意二极管的方向：阴极（带条纹端）朝向行线
连接规则：
- 二极管正极连接到按键的一个触点
- 二极管负极连接到矩阵的行线
- 按键的另一个触点连接到矩阵的列线

二极管连接示意图

工作原理解析：
通过二极管的单向导电特性，防止电流从一个按键通过其他按键形成回路，从而避免多键同时按下时的检测错误。

3. RGB灯光系统设计

为键盘添加RGB灯效能大幅提升美观度和用户体验。我们选用WS2812B-6028反贴RGB灯：

WS2812B灯珠特性：

集成了控制IC和RGB LED的智能灯珠
单线数据传输协议，仅需一个IO口控制多个灯珠
工作电压：5V（不要误接到3.3V）
每个灯珠都有单独地址，可实现独立控制

灯光系统设计要点：

供电设计：
- WS2812B必须使用5V供电，不可接到3.3V
- 建议添加电源滤波电容：每10个灯珠附近放置一个10μF~100μF电容
数据线连接：
- 采用串联方式：MCU输出 → 第1个灯 → 第2个灯 → … → 第N个灯
- 数据方向必须正确：DIN接收，DOUT输出
去耦设计：
- 每个WS2812B附近添加一个0.1μF陶瓷电容
- 作用：降低数据传输时的电源干扰，提高灯效稳定性

RGB灯光连接示意图

灯珠控制信号说明：

// WS2812B控制原理：
// 1. 采用单线通信，时序控制关键
// 2. 每个灯珠需要24位数据(RGB各8位)
// 3. 数据高低电平时间长度决定0和1的区分
// 4. 重置信号(>50μs低电平)表示一帧数据结束

4. 旋钮编码器集成设计

旋钮在键盘上常用于音量调节、亮度控制等功能，能显著提升操作便利性。我们使用EC11旋转编码器：

EC11编码器引脚功能：

// EC11编码器引脚详解
// 1. D引脚：按下功能，可连接到键盘矩阵作为普通按键
// 2. A引脚：旋转编码信号A，直接连接到MCU引脚
// 3. B引脚：旋转编码信号B，直接连接到MCU引脚
// 4. COM：公共端，通常接地
// 5. 不使用
// 6、7：固定脚，建议接地增强稳定性

旋钮编码器连接方法：

按键功能连接：
- 将D引脚和COM引脚分别连接到键盘矩阵的行线和列线
- 与普通按键一样加入二极管防冲突
旋转功能连接：
- A、B信号直接连接到MCU的GPIO引脚
- 建议启用内部上拉电阻，也可外接10K上拉电阻
- 两个信号读取相位差可判断旋转方向
抗干扰处理：
- 可选择性在A、B信号附近添加0.01μF去抖电容
- 固定脚应可靠接地，提高机械稳定性

旋钮编码器连接示意图

旋钮工作原理：
旋钮旋转时，A和B信号产生90°相位差的方波，通过检测两个信号的变化顺序，可以判断旋转方向；读取变化次数则可判断旋转幅度。

三、PCB设计实用技巧

1. 元器件选型建议

选择合适的元器件对最终成本和生产顺利度有重要影响：

二极管：首选1N4148（SOD323封装），性价比高且开关特性好
电容：滤波电容选择0603封装的0.1μF，尺寸合适且易于焊接
轴座：热插拔轴座便于后期更换轴体和维护
连接器：根据需要选择TypeC或MicroUSB接口

2. 布线要点

合理的PCB布线能有效降低干扰并提高稳定性：

电源线：
- 5V和GND走线宽度建议≥12mil
- 采用多点星型接地，减少地环路
信号线：
- 矩阵行列线宽度建议6~8mil
- WS2812B数据线尽量短且远离高频信号
布局技巧：
- MCU尽量居中放置，缩短到各个功能模块的走线
- 二极管统一方向放置，便于后期检查
- 灯珠尽量靠近对应按键，减少布线复杂度

3. 固件开发参考

APM32键盘固件开发可参考多种方案：

QMK固件：
- 开源键盘固件，支持APM32/STM32
- 丰富的功能库和社区支持
- 配置文件中将MCU设置为APM32F103即可
自定义固件：
- 基于STM32 HAL库开发，几乎无需修改即可用于APM32
- 矩阵扫描、按键防抖、灯光控制等功能模块化实现

// APM32键盘固件关键代码示例
#define MATRIX_ROWS 5    // 矩阵行数
#define MATRIX_COLS 4    // 矩阵列数

// 初始化GPIO引脚函数
void matrixInit(void) {
    // 初始化行线为输出模式
    // 初始化列线为上拉输入模式
}

// 键盘扫描函数
void matrixScan(void) {
    // 依次将每行设为低电平
    // 读取所有列的状态
    // 根据读取结果判断按键状态
}

// WS2812B灯光控制函数
void rgbLedControl(uint8_t r, uint8_t g, uint8_t b) {
    // 按照WS2812B时序要求发送数据
    // 可使用SPI+DMA方式提高效率
}

// 旋钮编码器处理函数
void encoderUpdate(void) {
    // 读取A、B信号状态
    // 根据状态变化判断旋转方向和幅度
}