基于ESP32-C3构建一款无需重新刷写的无线宏键盘

通过USB自动配置的BLE宏键盘

在ESP32-C3上集成了三个按键和一个编码器。使用蓝牙进行输入，通过USB完成设置，配合桌面应用，你再也不用重刷固件来更改快捷键。

为什么需要这个

大多数DIY宏键盘都是USB HID设备。插入后即可输入，但会一直绑定到连接的设备上。这在你希望将键盘放在笔记本电脑旁的桌面上时尤其明显——如果电脑已经布满线缆，或者你想在笔记本和平板之间切换而无需断开任何连接时，就会遇到问题。

蓝牙HID解决了这个问题，却带来了另一个难题：一旦键盘变为无线，就很难直接修改按键功能。大多数BLE版本会在固件中硬编码宏指令，因此每次想要改变按钮2的功能(比如从粘贴改为静音)，你都需要重新打开Arduino IDE，编辑字符串，然后重新刷写。

Flo则将这两项任务分担给两种传输方式：蓝牙负责按键输入，USB负责配置管理。将键盘插入任意设备，打开桌面应用程序，输入每个按键要执行的操作，然后按下发送键。宏就会被写入闪存并保持在其中。拔下键盘后，通过蓝牙连接仍可继续使用，并保留新的绑定设置。

功能说明

三个按键和一个带按压功能的旋转编码器，共可设置四个可分配的宏。旋转编码器可控制系统音量。

宏是一个简单的字符串，例如 ctrl+c、win+e、f5、esc，或像 hello 这样的单词，会逐字符输入。固件会解析字符串前缀中的修饰符，并将最后一个 + 后面的内容视为主按键。

默认设置为 a、b、ctrl+c 和 ctrl+v，这些键仅用于新刷机后的初始状态，以便用户在配置前能立即看到效果。

两种传输方式

通过 USB，板卡运行 115200 波特率的行协议：

•HELLO：板卡回复 ESP32-C3-READY。这是桌面程序在众多串口之间识别该设备的方式。

•SET1：通过 SET4:: 写入一个宏并确认。

•PRINT：输出当前的四个宏。

•TEST：读取所有输入引脚并报告 BLE 连接状态。此功能在构建过程中节省了大量时间。

通过蓝牙，它宣传自己是一个名为C3 MacroPad的HID键盘，使用ESP32-BLE-Keyboard库。主机会识别为普通键盘，因此被控制的设备无需驱动程序或设置。

两者不会相互干扰，因为串行处理程序仅在有字节等待时运行，而宏只有在BLE报告连接时才会触发。

硬件

•ESP32-C3 超迷你版。小巧、便宜，带有 BLE 功能，边缘呈梯形设计，便于直接安装在电路板上。

•三个线性机械开关。

•EC11 旋转编码器，带一个按钮开关。

•电路板和导线。

以上就是全部的材料清单。没有电阻，因为每个输入都使用内部上拉电阻;也没有二极管，因为四个输入无需矩阵布线即可实现信号处理。

引脚分配

•按钮 1：GPIO 7

•按钮 2：GPIO 8

•按钮 3：GPIO 9

•编码器时钟(CLK)：GPIO 5

•编码器数据(DT)：GPIO 4

•编码器开关：GPIO 2

所有这些引脚均设置为 INPUT_PULLUP 模式，每个开关的另一端连接至地。按下时读取值为低电平。

电路板组装

开关不能直接按 2.54 mm 网格排列。MX 样式引脚位于网格之外，因此每个开关的引脚需要略微弯曲，使其对齐最近的孔位后再进行焊接。先焊一个开关，检查间距是否与按键一致，再决定是否全部焊接，因为一旦引脚弯曲并焊接后，间距就固定了。

接线方式：每个开关连接一条线路到对应的 GPIO 引脚，并共用一条贯穿电路板的地线。编码器需要三条这样的线路，以及其自身的地线。

将超迷你板安装在接头(headers)上，而不是直接焊接在电路板上。USB端口是配置通道，因此你希望可以轻松访问它，并且如果将来刷写无法启动的程序时，还应具备拔出板子的选项。

固件

宏存储

偏好设置会写入ESP32的NVS分区，使用名为macropad_new的命名空间，其中包含m1到m4四个键。在启动时读取这四个键的值，代码如下：

第二个参数是备用值，因此即使板子的闪存为空，也能以可用内容启动，而不是崩溃。

宏解析

解析器首先查找修饰符子串，然后将最后一个+号之后的所有内容作为键值：

修饰符通过press()函数保存，主键通过write()函数输出，releaseAll()函数负责清理。名称键如enter、space、tab和esc映射到对应的HID常量;f1至f12由KEY_F1计算得出;单个字符则直接发送;而更长的内容则逐个字符输入。

编码器尝试了最多的方案

使用经典的时钟(CLK)与数据(DT)比较来检测中断，可以得到一个位置计数器：

这种方法在干净的信号下有效，但廉价的编码器如果没有硬件去抖动，则无法产生正确的计数。接触点在保持位期间会发生弹跳，中断服务例程(ISR)会多次触发，其中一些读数会出现在 DT 比较的错误侧。计数器在单次物理点击中会向上加3、向下减1、向上加2。

计数器可以隐藏这一问题，但音量却不能：顺时针旋转会使电平在上升过程中上下跳跃。

解决方法是在动作突变时设置方向锁。暂停后第一步设定方向，之后在500毫秒内每一步都强制保持相同方向，无论计数器显示什么：

旋钮旋转是一个连续的单一方向操作，因此该锁定机制能准确匹配面板的实际使用方式。代价是，在半秒内反向操作将被忽略。软件滤波比为已焊接电路板添加电容更经济，且500毫秒的时间窗口从未造成问题。

桌面应用程序

Flo 是一个单文件的 Tkinter 应用程序，采用深色主题并带有黄色强调色，固定尺寸为960x720，确保布局无需重新布线。

板卡检测

没有找到匹配的厂商ID。该应用会遍历每个串行端口，以115200波特率打开每个端口，发送HELLO消息，并持续监听返回ESP32-C3-READY的端口：

这种方法比按VID和PID过滤更慢，但更加通用，因为它不关心板卡使用的USB串口芯片或当前操作系统。扫描过程在后台线程中运行，因此窗口不会在工作时冻结，同时提供手动选择端口的下拉菜单，以便在自动检测出错时进行人工修正。

宏构建器

为了避免用户需要记忆字符串格式，该应用提供了用于Ctrl、Alt、Shift和Win键的复选框，以及一个按键输入框和一个下拉菜单，用于选择四个插槽中的哪一个进行写入。系统会自动为您组装字符串：

如果您已经知道要输入的内容，也可以直接在任意一个输入框中输入字符串。

发送

发送功能将依次写入四个宏，每条宏之间间隔100毫秒，然后读取板卡打印的内容，使错误能够被清晰地显示，而不是静默发生：

闪存并运行

固件需要在Arduino IDE中安装ESP32板的包，将板型设置为ESP32C3开发模块，并通过Sketch中的“包含库”功能，从T-vK发布的zip文件中安装ESP32-BLE-Keyboard库。该库未包含在库管理器中。

对于桌面应用程序：

然后像其他键盘一样，在操作系统的蓝牙设置中配对C3 MacroPad。

目前仍存在以下问题：

按住按钮会重复执行宏。编码器开关能正确检测边缘并保存先前状态，但三个主按键仅检查引脚是否读取为低电平，然后等待200毫秒。按住其中一个键时，每秒会触发五次。编码器按钮已具备解决此问题的模式，但需要将其复制到另外三个按键上。

功能键检测过于敏感。任何以f开头且长度不超过三个字符的宏都会被识别为功能键，因此宏fix会被解析为功能键零，完全不发送任何数据。长度验证还应确认字符串其余部分是数字。

编码器旋转被硬编码为音量控制。四个按键可以配置，但旋钮无法配置，这是最明显的缺失功能。需要在闪存中再添加两个插槽，并在应用中增加两个字段。

没有电池，蓝牙负责数据传输，电源仍通过USB供电，因此主机设备看到的是无线键盘，而键盘本身则通过线缆连接。

本文编译自hackster.io