🔥 机械键盘固件开发从入门到精通：HWKeyboard模块全解析
作为一名嵌入式开发老司机，今天带大家拆解一个完整的机械键盘固件代码。即使你是单片机小白，看完这篇教程也能轻松理解机械键盘的工作原理，甚至自己动手复刻一个！
🚀 项目整体概览
这个hw_keyboard.cpp模块实现了一个完整的机械键盘固件，基于STM32单片机开发，主要功能包括：
- 按键矩阵扫描与状态读取
- 机械按键消抖处理
- 键位映射与HID协议数据生成
- RGB灯效控制（支持WS2812B灯带）
- 特殊功能键（Fn键、触控条）处理
整个固件就像一个智能中转站，把物理按键的按下抬起动作，转换成电脑能理解的键盘信号，同时控制炫酷的RGB灯光效果。
🧩 核心模块拆解
一、延时函数：精确掌控时间
inline void DelayUs(uint32_t _us)
{
for (int i = 0; i < _us; i++) // 外层循环，每次循环代表1微秒
for (int j = 0; j < 8; j++) // 内层循环，调整延时时长（不同芯片需调整）
__NOP(); // 空操作，单纯耗时
}
白话解析：
- 这是一个微秒级的延时函数，精确控制程序暂停的时间
- 双重循环结构，外层控制延迟多少微秒，内层循环次数需要根据芯片主频调整
__NOP()是"No Operation"的缩写，就是让CPU空转一个周期- 为什么需要它？键盘需要精确的时间控制，比如消抖、LED控制都需要
二、按键扫描模块：监听键盘上的每一次敲击
uint8_t* HWKeyboard::ScanKeyStates()
{
memset(spiBuffer, 0xFF, IO_NUMBER / 8 + 1); // 将spiBuffer缓冲区全部置为0xFF，准备接收数据
PL_GPIO_Port->BSRR = PL_Pin; // 设置锁存引脚为高电平，锁存当前按键状态
spiHandle->pRxBuffPtr = (uint8_t*) spiBuffer; // 设置SPI接收缓冲区指针
spiHandle->RxXferCount = IO_NUMBER / 8 + 1; // 设置SPI接收字节数
__HAL_SPI_ENABLE(spiHandle); // 使能SPI外设
while (spiHandle->RxXferCount > 0U) // 循环直到所有数据接收完毕
{
if (__HAL_SPI_GET_FLAG(spiHandle, SPI_FLAG_RXNE)) // 检查SPI接收缓冲区非空标志
{
(*(uint8_t*) spiHandle->pRxBuffPtr) = *(__IO uint8_t*) &spiHandle->Instance->DR; // 从SPI数据寄存器读取数据到缓冲区
spiHandle->pRxBuffPtr += sizeof(uint8_t); // 指针后移
spiHandle->RxXferCount--; // 剩余接收字节数减一
}
}
__HAL_SPI_DISABLE(spiHandle); // 禁用SPI外设
PL_GPIO_Port->BRR = PL_Pin; // 设置锁存引脚为低电平，完成采样
return scanBuffer; // 返回扫描缓冲区指针
}
白话解析：
- 这个函数就像键盘的"耳朵"，不断监听按键是否被按下
PL_Pin是一个特殊引脚，拉高时会把所有按键的状态"拍照"保存- SPI通信就像快递系统：
spiBuffer是装数据的袋子pRxBuffPtr是指向袋子的手指RxXferCount是需要接收的数据数量
- 数据接收完成后，返回的
scanBuffer里存着所有按键的当前状态（1表示未按下，0表示按下）
三、按键消抖模块：解决机械按键的"手抖"问题
void HWKeyboard::ApplyDebounceFilter(uint32_t _filterTimeUs)
{
memcpy(debounceBuffer, spiBuffer, IO_NUMBER / 8 + 1); // 备份当前SPI缓冲区到消抖缓冲区
DelayUs(_filterTimeUs); // 延时一段时间，等待抖动消除
ScanKeyStates(); // 再次扫描按键状态
uint8_t mask;
for (int i = 0; i < IO_NUMBER / 8 + 1; i++) // 遍历所有字节
{
mask = debounceBuffer[i] ^ spiBuffer[i]; // 计算两次扫描的不同位
spiBuffer[i] |= mask; // 将有变化的位强制置为1（消除抖动影响）
}
}
白话解析：
- 机械按键按下时会像"手抖"一样产生短暂的多次通断，这就是抖动
- 消抖处理就像拍照时的防抖功能：
- 先保存第一次拍的照片（按键状态）
- 等一小会儿（
_filterTimeUs微秒） - 再拍一张照片（再次扫描按键）
- 比较两张照片，如果有不同，就认为是"抖动"，修正这些差异
- 这个过程很重要，否则键盘会误判你按了多次键
四、键位映射模块：把物理按键变成电脑认识的键
uint8_t* HWKeyboard::Remap(uint8_t _layer)
{
int16_t index, bitIndex; // 定义索引变量
memset(remapBuffer, 0, IO_NUMBER / 8); // 清空重映射缓冲区
for (int16_t i = 0; i < IO_NUMBER / 8; i++) // 遍历每个字节
{
for (int16_t j = 0; j < 8; j++) // 遍历每个bit
{
index = (int16_t) (keyMap[0][i * 8 + j] / 8); // 计算当前物理按键在scanBuffer中的字节索引
bitIndex = (int16_t) (keyMap[0][i * 8 + j] % 8); // 计算当前物理按键在该字节中的位索引
if (scanBuffer[index] & (0x80 >> bitIndex)) // 检查该物理按键是否被按下（高电平为未按下，低电平为按下）
remapBuffer[i] |= 0x80 >> j; // 如果按下，则在remapBuffer中对应位置标记为1
}
remapBuffer[i] = ~remapBuffer[i]; // 取反，转换为"按下为1，未按下为0"
}
memset(hidBuffer, 0, KEY_REPORT_SIZE); // 清空HID报告缓冲区
int i = 0, j = 0;
while (8 * i + j < IO_NUMBER - 6) // 遍历所有可用按键（排除最后6个保留位）
{
for (j = 0; j < 8; j++)
{
index = (int16_t) (keyMap[_layer][i * 8 + j] / 8 + 1); // 计算映射后按键在hidBuffer中的字节索引（+1跳过修饰键）
bitIndex = (int16_t) (keyMap[_layer][i * 8 + j] % 8); // 计算映射后按键在该字节中的位索引
if (bitIndex < 0)
{
index -= 1; // 位索引为负时，向前借一字节
bitIndex += 8;
} else if (index > 100)
continue; // 越界保护
if (remapBuffer[i] & (0x80 >> j)) // 如果该按键被按下
hidBuffer[index + 1] |= 1 << (bitIndex); // 在hidBuffer中对应位置标记为1（+1跳过Report-ID）
}
i++;
j = 0;
}
return hidBuffer; // 返回HID报告缓冲区
}
白话解析：
- 这个模块就像一个"翻译官"，把物理按键的位置翻译成电脑认识的键码
- 过程分两大步：
- 第一步：把原始扫描结果（
scanBuffer）转换成中间格式（remapBuffer）- 这一步是把"物理按键位置"变成"逻辑按键位置"
- 使用
keyMap[0]查表，找到每个物理按键对应的逻辑位置
- 第二步：把中间格式（
remapBuffer）转换成USB-HID标准格式（hidBuffer）- 这一步是把"逻辑按键位置"变成"标准键码"
- 使用
keyMap[_layer]查表，支持多层键位映射（比如Fn组合键）
- 第一步：把原始扫描结果（
- 最终生成的
hidBuffer就是可以直接发送给电脑的USB-HID报告
五、RGB灯效控制模块：让键盘"发光发热"
void HWKeyboard::SetRgbBufferByID(uint8_t _keyId, HWKeyboard::Color_t _color, float _brightness)
{
// 防止全0导致ws2812b协议错误
if (_color.b < 1)_color.b = 1; // 蓝色分量最小为1，避免全0
for (int i = 0; i < 8; i++) // 遍历8位
{
rgbBuffer[_keyId][0][i] =
((uint8_t) ((float) _color.g * _brightness) >> brightnessPreDiv) & (0x80 >> i) ? WS_HIGH : WS_LOW; // 绿色分量
rgbBuffer[_keyId][1][i] =
((uint8_t) ((float) _color.r * _brightness) >> brightnessPreDiv) & (0x80 >> i) ? WS_HIGH : WS_LOW; // 红色分量
rgbBuffer[_keyId][2][i] =
((uint8_t) ((float) _color.b * _brightness) >> brightnessPreDiv) & (0x80 >> i) ? WS_HIGH : WS_LOW; // 蓝色分量
}
}
void HWKeyboard::SyncLights()
{
while (isRgbTxBusy); // 等待上一次DMA传输完成
isRgbTxBusy = true; // 标记DMA忙
HAL_SPI_Transmit_DMA(&hspi2, (uint8_t*) rgbBuffer, LED_NUMBER * 3 * 8); // 通过DMA发送RGB数据
while (isRgbTxBusy); // 等待DMA完成
isRgbTxBusy = true; // 再次标记DMA忙
HAL_SPI_Transmit_DMA(&hspi2, wsCommit, 64); // 发送ws2812b协议结尾信号
}
白话解析：
- 这个模块负责控制键盘上的RGB灯，让键盘变得炫酷
SetRgbBufferByID函数像是一支神奇的画笔：_keyId：选择要涂色的灯珠_color：选择RGB颜色（红、绿、蓝三原色）_brightness：控制颜色的亮度（0.0-1.0）
- WS2812B是一种智能LED灯珠，需要特殊的信号格式：
- 每个灯珠需要24位数据（8位绿+8位红+8位蓝）
WS_HIGH和WS_LOW是两种不同的电平时序，用来表示1和0- 所有灯珠串联在一起，数据像多米诺骨牌一样传递
SyncLights函数使用DMA（直接内存访问）技术快速发送数据：- DMA可以在不占用CPU的情况下传输数据
- 发送完所有LED数据后，还要发送一个结束信号（
wsCommit）
六、特殊功能键处理模块：Fn键和触控条
bool HWKeyboard::FnPressed()
{
return remapBuffer[9] & 0x02; // 检查remapBuffer第9字节的第2位（Fn键状态）
}
uint8_t HWKeyboard::GetTouchBarState(uint8_t _id)
{
uint8_t tmp = (remapBuffer[10] & 0b00000001) << 5 | // 取remapBuffer第10字节的各个位，重新排列组合
(remapBuffer[10] & 0b00000010) << 3 |
(remapBuffer[10] & 0b00000100) << 1 |
(remapBuffer[10] & 0b00001000) >> 1 |
(remapBuffer[10] & 0b00010000) >> 3 |
(remapBuffer[10] & 0b00100000) >> 5;
return _id == 0 ? tmp : (tmp & (1 << (_id - 1))); // 返回全部状态或指定触控条状态
}
白话解析：
- 这部分处理键盘上的特殊功能键：Fn键和触控条
FnPressed函数检查Fn键是否按下：- 简单查看
remapBuffer中的特定位，1表示按下，0表示未按下 - Fn键在这个键盘中位于第9字节的第2位（从0开始计数）
- 简单查看
GetTouchBarState函数读取触控条状态：- 触控条有多个触摸点，每个点对应
remapBuffer[10]的一位 - 函数进行位重排，使触摸点按从左到右的顺序排列
- 参数
_id为0时返回所有触摸点状态，否则返回特定触摸点状态
- 触控条有多个触摸点，每个点对应
七、HID报告处理模块：电脑与键盘的"对话"
uint8_t* HWKeyboard::GetHidReportBuffer(uint8_t _reportId)
{
switch (_reportId)
{
case 1:
hidBuffer[0] = 1; // 设置报告ID为1
return hidBuffer; // 返回主报告缓冲区
case 2:
hidBuffer[KEY_REPORT_SIZE] = 2; // 设置报告ID为2
return hidBuffer + KEY_REPORT_SIZE; // 返回备用报告缓冲区
default:
return hidBuffer; // 默认返回主报告缓冲区
}
}
bool HWKeyboard::KeyPressed(KeyCode_t _key)
{
int index, bitIndex;
if (_key < RESERVED) // 判断是否为保留键
{
index = _key / 8; // 计算字节索引
bitIndex = (_key + 8) % 8; // 计算位索引
} else
{
index = _key / 8 + 1; // 计算字节索引（跳过修饰键）
bitIndex = _key % 8; // 计算位索引
}
return hidBuffer[index + 1] & (1 << bitIndex); // 检查对应位是否为1（按下）
}
void HWKeyboard::Press(HWKeyboard::KeyCode_t _key)
{
int index, bitIndex;
if (_key < RESERVED)
{
index = _key / 8;
bitIndex = (_key + 8) % 8;
} else
{
index = _key / 8 + 1;
bitIndex = _key % 8;
}
hidBuffer[index + 1] |= (1 << bitIndex); // 设置对应位为1（按下）
}
void HWKeyboard::Release(HWKeyboard::KeyCode_t _key)
{
int index, bitIndex;
if (_key < RESERVED)
{
index = _key / 8;
bitIndex = (_key + 8) % 8;
} else
{
index = _key / 8 + 1;
bitIndex = _key % 8;
}
hidBuffer[index + 1] &= ~(1 << bitIndex); // 清除对应位（释放）
}
白话解析：
- 这部分处理键盘的HID报告，这是键盘与电脑通信的"官方语言"
GetHidReportBuffer函数准备不同类型的HID报告：- 报告ID 1：标准键盘报告
- 报告ID 2：扩展功能报告（如多媒体键、自定义功能键）
KeyPressed函数检查某个键是否被按下：- 通过计算键码在HID报告中的位置（字节索引和位索引）
- 特殊处理小于
RESERVED的键（可能是修饰键如Ctrl、Shift等）
Press和Release函数模拟按键按下和释放：- 直接修改HID报告缓冲区中对应键的状态位
- 这允许程序在不实际按键的情况下发送按键信号
📊 完整工作流程
一个按键从按下到被电脑识别的全过程：
-
硬件初始化：
- 设置SPI通信参数
- 配置GPIO引脚
- 初始化RGB灯为熄灭状态
-
按键扫描循环：
while(1) { ScanKeyStates(); // 扫描按键矩阵，读取原始状态 ApplyDebounceFilter(5000); // 应用5ms消抖滤波 uint8_t layer = FnPressed() ? 1 : 0; // 根据Fn键状态选择映射层 Remap(layer); // 重映射键位，生成HID报告 // 发送HID报告给电脑 uint8_t* report = GetHidReportBuffer(1); USB_SendData(report, KEY_REPORT_SIZE); // 更新RGB灯效 UpdateRgbEffects(); SyncLights(); HAL_Delay(10); // 10ms扫描周期 } -
关键环节解析：
- 按键扫描：使用SPI读取74HC165移位寄存器中的按键状态
- 消抖处理：比较两次扫描结果，忽略抖动引起的差异
- 重映射处理：物理按键位置→逻辑按键位置→标准HID键码
- RGB控制：设置每个LED的RGB值，通过DMA高速传输数据
- USB通信：定期发送HID报告给电脑，告知当前按键状态
💡 小白开发指南
开发环境搭建
-
硬件准备：
- STM32F1/F4系列单片机（如STM32F103C8T6）
- 74HC165移位寄存器（扩展输入IO）
- WS2812B RGB灯珠
- 机械键盘轴体和轴座
- PCB电路板
-
软件工具：
- STM32CubeIDE或Keil MDK（代码编写和编译）
- STM32CubeMX（单片机外设配置）
- PCB设计软件（如立创EDA、Altium Designer）
从零开始的实现步骤
-
项目结构设计：
- main.c // 主程序入口 - hw_keyboard.h // HWKeyboard类声明 - hw_keyboard.cpp // HWKeyboard类实现 - usb_device.c // USB设备配置 - key_map.h // 键位映射表 -
关键硬件连接：
STM32 SPI1_MISO <- 74HC165 QH (串行数据输出) STM32 SPI1_CLK -> 74HC165 CLK (时钟信号) STM32 GPIO_PL -> 74HC165 PL (锁存信号) STM32 SPI2 -> WS2812B数据线(通过电平转换) -
代码实现步骤：
- 实现
ScanKeyStates函数，通过SPI读取按键状态 - 添加
ApplyDebounceFilter消抖处理 - 实现
Remap函数，完成键位映射 - 添加RGB灯效控制函数
- 最后实现USB通信部分
- 实现
-
测试调试方法：
- 分阶段测试：先测试按键扫描，再测试灯效控制
- 使用串口打印中间变量进行调试
- 使用示波器观察SPI和WS2812B信号波形
📚 进阶知识点
1. 如何定制键位映射
键位映射是通过keyMap二维数组实现的：
// 示例键位映射表（简化版）
const uint16_t keyMap[2][64] = {
// Layer 0: 标准层
{
KEY_ESC, KEY_1, KEY_2, KEY_3, /* 更多键... */
},
// Layer 1: Fn层
{
KEY_GRAVE, KEY_F1, KEY_F2, KEY_F3, /* 更多键... */
}
};
定制步骤：
- 测量物理按键矩阵位置
- 确定每个位置对应的标准键码（参考USB HID标准）
- 填写到
keyMap数组中
2. RGB灯效编程技巧
// 彩虹灯效示例
void RainbowEffect() {
static uint8_t hue = 0;
for(int i = 0; i < LED_NUMBER; i++) {
// 创建彩虹色相滚动效果
Color_t color = HsvToRgb(hue + i * 255 / LED_NUMBER, 255, 255);
keyboard.SetRgbBufferByID(i, color, 0.5f); // 亮度50%
}
keyboard.SyncLights();
hue++; // 颜色循环移动
}
// HSV转RGB颜色转换
Color_t HsvToRgb(uint8_t h, uint8_t s, uint8_t v) {
Color_t rgb = {0, 0, 0};
// 转换算法实现
// ...
return rgb;
}
3. 性能优化技巧
-
扫描频率优化：
- 降低扫描频率可节省CPU资源
- 但过低会导致输入延迟
- 推荐扫描频率：100Hz（10ms周期）
-
DMA使用：
- 使用DMA传输RGB数据，释放CPU资源
- 使用中断而非轮询等待DMA完成
-
内存优化：
- 使用位操作减少内存使用
- 共用缓冲区减少RAM占用
🎯 实战项目：DIY全彩RGB机械键盘
完成这个教程后，你可以尝试以下项目：
-
简易版：61键迷你键盘
- 标准QWERTY布局
- 单色背光
- 两层键位映射
-
进阶版：64键配置RGB
- 增加方向键
- 全RGB背光
- 多种灯效模式
-
大师版：分体式人体工学键盘
- 左右分离设计
- 每键RGB可寻址
- 支持无线蓝牙连接
通过本教程的学习，你已经掌握了机械键盘固件开发的核心技术。从简单的按键扫描到复杂的RGB控制，从底层硬件操作到高层次的用户体验，一步步揭开了机械键盘的神秘面纱。希望这份教程能帮助你开启DIY键盘的奇妙旅程！
