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ESP-KeyBoard：基于 ESP32-S3 的三模客制化机械键盘

article 2024/11/25 12:10:18

概述

在这个充满挑战与机遇的数字化时代，键盘已经成为我们日常学习、工作、娱乐生活必不可少的设备。而在众多键盘中，机械键盘，以其独特的触感、清脆的敲击音和经久耐用的特性，已经成为众多游戏玩家和电子工程师的首选。本文将为您介绍 ESP-KeyBoard，一款基于 ESP32-S3 系列模组开发的高性能、高性价比的机械键盘，并对其特性、功能以及软硬件设计进行深入讲解。

项目介绍

ESP-KeyBoard 是一款基于 ESP32-S3 系列模组开发的高性能、高性价比的三模客制化机械键盘。它支持 USB 、低功耗蓝牙 (BLE) 和 2.4GHz 无线输出 三种工作模式。采用 75 配列键盘（即 75% 的键盘布局），总共 82 个按键，支持 全键无冲和热插拔。每个按键都配备了一个独立的 RGB LED，支持 40+ 种的本地灯效控制，以及支持 WINDOWS11 神光同步功能。除此之外，ESP-KeyBoard 配备了 4000mA 的锂电池，并支持多种低功耗的工作模式，可在无线工作模式下，大幅延长电池的使用时间。

如下图所示，从外观上来看，ESP-KeyBoard 在保持整体结构简洁的同时，处处包含着对细节的把控。下面本文将逐步讲解如何轻松地定制一款属于你的 ESP-KeyBoard。

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视频展示：

ESP32-S3 三模机械键盘 1.1 升级版

供电方式

在 USB 工作模式下，通过 USB 接口进行供电；
在 低功耗蓝牙 (BLE) 和 2.4GHz 无线输出模式下，通过 4000mA 锂电池进行供电。

功能演示与方案优势：

1. 个性化的键盘组装

ESP-KeyBoard 以其创新的键轴设计，提供了前所未有的个性化体验。键盘的键轴支持热插拔功能，意味着开发者无需关闭电源或拆卸键盘，就能在带电模式下轻松更换键轴或键帽，让键盘瞬间焕发新活力。这种设计还极大地方便了日常维护和个性化定制，无论客户追求具有独特手感的机械轴，还是偏好安静免打扰的静音轴，都能根据个人喜好随时调整 ESP-KeyBoard 的键盘配置，享受定制化键盘的乐趣。

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2. 低延迟的输出速率

ESP-KeyBoard 使用矩阵键盘扫描方式，支持高达 20KHz 的软件扫描速率，同时可以做到全键无冲，对所有按键进行精准识别，即使是远距离打字也可以做到低延迟的稳定输出。

在 USB 和 2.4GHz 无线输出工作模式下可达 1KHz 的回报率，低至 1ms 的延时。
在 BLE 工作模式下可达 125Hz 回报率

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3. 自定义的键盘灯效

当前市场上各品牌 RGB 外设普遍配备了专属的灯效控制软件，这导致了不同外设间 RGB 灯效难以实现统一。而 ESP-KeyBoard 不仅内置了超过 40 种本地灯效控制选项，还兼容 Windows 11 的神光同步技术，实现了与各类外设的灯效同步功能。

本地灯效控制
Windows11 动态等效控制

4. 多种低功耗工作模式

在硬件设计上，ESP-KeyBoard 优化了 LED 灯组的电源管理电路，增加了 WS2812 LED 组的总功率控制，允许在使用锂电池供电时完全断开 WS2812 灯带的电源，降低待机电流约 40mA，实现了更低的能耗和更长的电池续航。

ESP-KeyBoard 采用高效的矩阵键盘扫描技术，仅在按键操作时进行全键盘扫描，而在键盘处于空闲状态时自动保持 浅睡眠模式（Light-Sleep），并支持通过任意按键瞬间唤醒键盘，确保在维持低能耗的同时，能够迅速响应用户的输入，以支持无线输出模式下的低功耗运行。

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除此之外，ESP-KeyBoard 在硬件上增加了 32.768KHz 的外部晶振，这一精准时钟源专为低功耗蓝牙 (BLE) 工作模式而设计，显著提升了锂电池的续航时间。该设计允许键盘在保持 BLE 连接的同时，进入浅睡眠模式 (Light-Sleep)，将待机电流降至 2mA，从而实现更高的能效。

5. 高度自定义

ESP-KeyBoard 采用分体式硬件设计，主控板与键盘 PCB 之间通过连接器相连，可方便用户自由更换主控板。

如果想在键盘上配备额外的扩展副屏，只需升级到性能更强的主控 MCU。这不仅能够满足附加显示功能的需求，还能在此基础上进一步自定义更丰富的外观主题；
若追求更优的能效比，可以选择升级至功耗更低的 ESP32-H 系列芯片，以满足不同的使用需求。

这种设计不仅提升了键盘的使用灵活性，还有效降低未来更新迭代的成本，可以轻松实现高度自定义的客制化键盘。

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6. 舒适的敲击体验

ESP-KeyBoard 键盘无空仓，以其坚实的内部结构有效减少振动和噪音，而 PCB 板的悬浮减震设计则减轻了按键触底时的冲击。键盘整体结构采用四周固定、中间悬空的方式，使得触底感更为柔和且富有弹性，提供舒适的敲击体验，有效减轻长时间使用中的手部疲劳。
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硬件设计

ESP-KeyBoard 采用分体式硬件设计，主控板与键盘 PCB 之间通过连接器相连，方便用户自由更换主控板，轻松实现高度自定义的同时降低了键盘更新迭代成本。ESP-KeyBoard 的硬件系统由以下部分组成：

ESP-KeyBoard 主板硬件设计

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主控 MCU : ESP32-S3- WROOM-1- N4 模组
32KHz 晶振：基于 ESP32-S3 主控芯片增加了外部 32.768KHz 晶振，以支持 ESP-KeyBoard 在使用 BLE （低功耗蓝牙）工作模式下进入浅睡眠（Light Sleep）模式来降低待机功耗，此时待机电流约 2mA。
TYPE-C（USB Type-C）：采用 USBC200 芯片与 ESP32-S3 芯片的 USB （GPIO19 和 GPIO20）接口直连，为 ESP-KeyBoard 产品提供一个 USB Type-C 端口，支持 ESP-KeyBoard 通过 USB Type-C 线连接到电脑，并为 ESP-KeyBoard 供电。
KEY（按钮）：使用一个简单的物理按钮电路，连接到 ESP32-S3 芯片的 GPIO0 和 CHIP_PU（EN）管脚，用于ESP-KeyBoard 产品硬件复位和手动切换 ESP32-S3 的启动模式 (SPI Flash Boot 或 Download Boot)。如果是量产产品，可以省去按键电路。
BAT CHG （电池充电）: 基于 ME4054BM5 芯片，使用 BAT 引脚连接到电池正极，用于控制电池的充放电，并具有充电状态指示灯来提醒实时电量情况，以确保为锂电池提供安全稳定的充电功能。
VBAT->3V3（电源管理）：使用 TPS61033 电池管理芯片将电池电压 VBAT（通常在3.0V~4.2V 之间变化）转换为稳定的 3.3V 电压，给电路提供稳定的电压环境。同时使用 ESP32-S3 的 GPIO2 来检测电池电量，并支持使用灯光效果来提醒实时电量情况。
CONNECTOR（外部连接器）：使用一个 30 针的外部链接器用于主板与子板建立连接，以实现主控板与键盘 PCB 的硬件分体设计。

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ESP-KeyBoard 子板硬件设计

ESP-KeyBoard 使用 75 配列键盘（即 75% 的键盘布局），总共 82 个按键。并为每个按键都串联一个二极管，可以确保按下按键时电流只朝一个方向流动，以防止“重影”并更好地支持 N 键翻转。同时使用成本更低的矩阵键盘扫描方式（行输出列输入），最大可达 20KHz 扫描频率。通过使能按键中断，可以实时的检测按键是否按下，从而决定键盘是否工作，以支持极低的待机功耗。

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另外，使用 ESP32-S3 的六个 RTC GPIO (GPIO38、GPIO39、GPIO40、GPIO45 、GPIO47、GPIO48) 作为唤醒源，分别连接到矩阵键盘的 ROW0~ROW5 ，以此实现通过任意按键唤醒 ESP-KeyBoard 的待机模式，确保键盘仅在按键按下时工作，从而降低功耗。

除此之外，ESP-KeyBorad 为每个按键配备了一个独立的 WS2812 RGB LED，支持通过单个数据引脚控制每个 LED 的颜色和亮度。这允许用户自定义键盘的整体背光效果，并支持在使用锂电池供电时完全断开 WS2812 电源，将待机电流降低约 40mA。

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ESP-KeyBoard 完整的硬件开源资料可在【嘉立创-乐鑫小铁匠】ESP-KeyBoard 获取，更多 ESP 硬件设计说明请参考《ESP 硬件设计指南》。

软件设计

ESP-KeyBoard 使用了 ESP32-S3 的 USB 特性、BLE 特性、RMT 外设接口以及多个通用 GPIO 来实现全功能。完整应用代码可参考 “esp-iot-solution/examples/keyboard”示例，此示例支持多种组合模式：

连接模式	本地灯效	WIN11 灯效	全键无冲	回报率
USB	√	√	√	1 KHz
BLE	√	×	√	125 Hz
2.4 GHz (暂未开源代码)	√	×	√	1 KHz

【技术解析】

Windwos11 神光同步：在 Windwos11 上支持基于标准 HID 的灯效控制，设备只需在固件中增加 HID 动态灯效的功能，即可以直接在 Windows 系统内直接控制 ESP-KeyBoard 灯光效果，也可以与其他外设进行灯效同步。在此技术上 ESP32-S3 通过 BLE HID Device 和 USB HID Device 特性来实现。
- USB HID 应用例程可参考：esp-idf/examples/peripherals/usb/device/tusb_hid , 软件编程指南参见：TinyUSB 组件
- BLE HID 应用例程可参考：esp-idf/examples/bluetooth/bluedroid/ble/ble_hid_device_demo
多种键盘热键：软件设计参考了 QMK( qmk/qmk_firmware ) 代码逻辑，可以方便修改键盘映射，并支持多种键盘热键，如音量加、音量减等。ESP-KeyBoard 支持如下快捷键：

组合键	功能
FN + F1	USB 工作模式
FN + F2	BLE 工作模式
FN + F10	静音
FN + F11	音量＋
FN + F12	音量 -
FN + Home	切换本地灯光颜色
FN + PgUP	正向本地灯光效果
FN + PgDN	反向本地灯光效果
FN + END	切换 WIN11动态灯光效果
FN + Blank	切换本地灯光
FN + ↑	增加本地灯光亮度
FN + ↓	降低本地灯光亮度
FN + ←	降低本地灯光变化速度
FN + →	增加本地灯光变化速度

WS2812 LED 控制：在 WS2812 灯组控制应用上，使用了 ESP32-S3 的 RTM 外设接口，借助 espressif /led_strip 组件来驱动 WS2812 LED 灯带，以实现 ESP-KeyBoard 灯光调控的功能。应用例程可参考 esp-idf/examples/peripherals/rmt/led_strip，软件编程指南参见：红外遥控 (RMT)
低功耗模式：在低能耗方面使用了乐鑫提供的 Auto Light Sleep 解决方案来自动进入休眠状态，这里借助了六个 RTC GPIO（ GPIO38、GPIO39、GPIO40、GPIO45 、GPIO47、GPIO48 ）作为唤醒源，分别连接到矩阵键盘的 ROW0~ROW5 ，以此实现通过任意按键唤醒 ESP-KeyBoard 的待机模式。文档说明参见：低功耗模式使用指南。对应的 Auto Light Sleep 代码如下：
```
        esp_pm_config_t pm_config = {
            .max_freq_mhz = CONFIG_ESP_DEFAULT_CPU_FREQ_MHZ,
            .min_freq_mhz = 160,
#if CONFIG_FREERTOS_USE_TICKLESS_IDLE
            .light_sleep_enable = true
#endif
        };
        ESP_ERROR_CHECK(esp_pm_configure(&pm_config));
```