CN115237262A - 一种可替换模块化键盘电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数码设备技术领域，具体地说，是一种可替换模块化键盘电子设备。包括扩展坞底座、键盘输入模块和可替换的多功能交互模块，键盘输入模块和可替换的多功能交互模块通过若干接触式触点连接在扩展坞底座顶部；扩展坞底座侧面设有USB接口和充电口，可替换的多功能交互模块包括力反馈旋钮扩展模块、带显示屏和触摸屏的输入输出模块、三维摇杆输入模块和生物识别输入模块。本发明不仅可以实现传统的键盘输入功能，还可以扩展其它可替换的多功能交互模块来实现不同类型的输入功能，键盘输入模块使用并行转串行的移位寄存器芯片实现快速按键扫描；扩展坞底座使用了内置电池和电源管理电路解决USB口供电不足的问题。

Description

一种可替换模块化键盘电子设备

技术领域

本发明涉及数码设备技术领域，具体地说，是一种可替换模块化键盘电子设备。

背景技术

键盘是电脑最常用的信息输入设备之一，传统键盘硬件由一系列独立触发的按键组成，可以实现基本的字符输入功能，通过键盘可以将英文字母、汉字、数字、标点符号等输入到计算机中，从而向计算机发出命令、输入数据等。键盘输入装置的核心方案都是通过一组微动开关实现电平触发(未按下时电平为1，按下时电平为0)，由微控制器MCU读取检测到电平变化，通过矩阵扫描得到按下的具体按键编号，再通过USB-HID(Human InterfaceDevice)或者蓝牙-HID协议按一定的周期上报给电脑主机，以此完成0/1按键式的字符输入功能。但是这种传统的字符按键开/关模式的输入方式无法满足很多特定交互需求，如对于连续数值的输入模式、多维数据的输入模式、带即时显示反馈的输入模式、带可变的即时力反馈的输入模式等。

为了扩展计算机交互能力，目前的方案是给电脑外接更多输入设备，然而多设备会占用过多端口和物理空间，同时也给走线布线带来麻烦，割裂了用户的交互体验，给用户使用带来不便。

HID人机接口设备类别是Windows最早支持的USB类别，由其名称可以了解HID设备是计算机直接与人交互的设备，例如键盘、鼠标和游戏杆等，不过HID设备不一定要有人机接口，只要符合HID类别规范，就都可以是HID设备。USB Hub，指的是一种可以将一个USB接口扩展为多个，并可以使这些接口同时使用的装置。不接外置电源的情况下，一个电脑USB口提供的电流为500MA左右，只能勉强够一个2.5寸移动硬盘用的，再经过USB-Hub消耗一部分，连接键盘和其他输入设备时，容易出现接口输出功率不足的情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可替换模块化键盘电子设备，通过将多种不同类型的输入装置模块化组装到一起，再统一枚举为一个或多个HID设备来减少对接口的占用。

为实现以上目的，本发明的技术方案如下：

一种可替换模块化键盘电子设备，包括扩展坞底座、键盘输入模块和可替换的多功能交互模块，所述键盘输入模块和可替换的多功能交互模块通过若干接触式触点连接在所述扩展坞底座顶部；所述扩展坞底座侧面设有若干USB接口和一个充电口，所述可替换的多功能交互模块包括力反馈旋钮扩展模块、带显示屏和触摸屏的输入输出模块、三维摇杆输入模块、生物识别输入模块、视频剪辑功能模块、MIDI输入模块、直播台模块、3D建模3D鼠标模块等。

所述扩展坞底座的电路包括USB-HUB模块和电池电源管理模块，所述电池电源管理模块包括电压调节电路、充放电保护电路和电源自动通断控制电路。

进一步的，扩展坞底座可以作为USB-Device与电脑通信，并通过电池电源管理模块为连接的键盘输入模块和可替换的多功能交互模块供电，提供最高12V、3A的电流；当本发明设备连接电脑时，扩展坞底座上的USB-HUB模块将枚举出若干USB设备，每个设备对应于一种HID输入设备。电脑运行时，通过USB口为扩展坞底座中安装的3.7V锂电池进行充电，扩展坞底座的电源管理模块将USB口提供的5V电压降压至所需的4.2V充电电压，同时对电池进行过充和过放保护。由于某些可替换的多功能交互模块对于电源输入的峰值功率超过了电脑USB口所能提供的功率，扩展坞底座的电池和电池电源管理模块的电路会对这些模块进行额外供电，在闲置时再对扩展坞底座的电池进行充电，以这种“小功率蓄电后大功率放电”的方法解决可替换的多功能交互模块的电源供应问题。

所述电源自动通断控制电路包括一个P型MOS管、一个三极管和若干外围器件。电脑关机时，USB口停止向扩展坞底座供电，此时如果不在电路中断开电源连接，会导致键盘输入模块和可替换的多功能交互模块持续消耗扩展坞底座电池的电量，因此扩展坞底座的电源管理模块会在检测到USB口无电压输入后，通过电源自动通断控制电路断开内部电池的输出。

所述键盘输入模块的电路包括微动开关、RGB可编程彩灯、按键扫描电路和主控电路，所述按键扫描电路使用并行转串行的移位寄存器方式实现按键扫描功能。

进一步的，所述键盘输入模块为传统按键阵列式输入设备，其中按键扫描电路，如果每一个按键都连接到主控芯片的一个10引脚进行检测，那么N个按键就需要有N个对应的10引脚的控制器芯片，一般键盘有100多个独立按键，而主控芯片一般只有30个以内的10引脚，因此为了解决按键扫描识别问题，传统方案是使用M*N的矩阵扫描方法：将按键排列成矩阵的形式，如图9，是通过4*4的矩阵实现对16个按键的扫描，而4+4一共需要8个10引脚，远小于16个独立10引脚，同理可以M*N的方式来读取更多按键，然而这种矩阵键盘存在一些问题，比如在一个矩阵上同时按下多个按键，由于按键之间相互耦合，导致没有按下的按键也会被触发，为了解决上述问题，传统方法是给每个按键增加一个二极管元件，能有效解决按键误触发问题，但会导致键盘电路设计冗余，走线麻烦，而且不便于扩展，因此本发明使用并行转串行的移位寄存器方式实现按键扫描功能解决上述问题。使用移位寄存器实现键盘电路后节省了大量二极管和简化了PCB走线。

并行转串行的移位寄存器的工作原理为，把MxN按键矩阵改为了1xN按键矩阵，并通过移位寄存器将并行输入转为串行输出。移位寄存器为常见的时序逻辑电路，其通过加载输入端的数据，在每个时钟周期到来时将数据移动或“移位”一次到输出端，实现二进制数据的传输。以一个简版的PISO移位寄存器电路为例(如图10)，

假设在某一时刻其一按键导通Pd端输出低电平，其将直接写入FFA，即此时的FFA～FFD存储数据为0111。

在第一个时间脉冲到来后，FFA输出低电平与Pc的高电平相与并写入FFB，此时FFA～FFD存储数据为1011，FFD输出高电平1；

在第二个时间脉冲到来后，FFB输出低电平与Pb的高电平相与并写入FFC，此时FFA～FFD存储数据为1101，FFD输出高电平1；

在第三个时间脉冲到来后，FFC输出低电平与Pa的高电平相与并写入FFD，此时FFA～FFD存储数据为1110，FFD输出高电平1；

在第四个时间脉冲到来后，FFD输出低电平0；

也就是说，在四个时间周期内，FFD便依次输出了1110这4个信号，主控根据该信号便可以推算出是哪一按键被按下。

所述可替换的多功能交互模块由扩展坞底座的电池供电，通过串口、SPI或I2C总线与键盘输入模块通信或者通过USB接口与扩展坞底座通信。可替换的多功能交互模块安装在所述键盘输入模块的左侧或者右侧。

其中，所述力反馈旋钮扩展模块的电路包括电源模块、主控模块、通信模块、电机驱动模块和备选外设模块。

进一步的，所述力反馈旋钮扩展模块的内部电路对电机进行实时闭环控制，对用户操作进行实时反馈，模拟阻尼、弹簧、多档旋钮和惯性旋钮的物理效果。通过串口总线与键盘输入模块进行通信，给键盘输入模块发送指令，然后由键盘输入模块模拟出各种输入值；也可以通过USB接口与扩展坞底座进行通信，实现接受电脑的指令进行电机旋转控制等功能。

其中，所述电机为直流无刷电机。

对电机的实时闭环控制(FOC控制)的整个流程如图11，

以电流闭环控制为例，FOC控制的整个过程如下：

对电机三相电流进行采样得到Ia,Ib,Ic；将Ia,Ib,Ic经过Clark变换得到Iα,Iβ；将Iα,Iβ经过Park变换得到Iq,Id；计算Iq,Id和其设定值Iq_ref,Id_ref的误差；将上述误差输入两个PID(只用到PI)控制器，得到输出的控制电压Uq,Ud；将Uq,Ud进行反Park变换得到Uα,Uβ；用Uα,Uβ合成电压空间矢量，输入SVPWM模块进行调制，输出该时刻三个半桥的状态编码值；按照前面输出的编码值控制三相逆变器的MOS管开关，驱动电机。循环上述步骤。

更进一步的，所述可替换的多功能交互模块还可以是带显示屏和触摸屏的输入输出模块、三维摇杆输入模块、生物识别输入模块以及其它交互模块。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明不仅可以实现传统的键盘输入功能，还可以扩展其它可替换的多功能交互模块来实现不同类型的输入功能，并且所有交互设备都只需要通过扩展坞底座的一根USB线连接电脑即可使用；对于键盘输入模块，本发明使用并行转串行的移位寄存器芯片实现快速按键扫描，解决传统矩阵键盘输入“鬼影”问题，解决二极管造成的设计冗余和难扩展问题；扩展坞底座使用了内置电池和电源管理电路解决USB口供电不足的问题。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明多种可替换的多功能交互模块的结构示意图；

图3是扩展坞底座结构示意图；

图4是键盘输入模块底部结构示意图；

图5是可替换的多功能交互模块底部的结构示意图；

图6是扩展坞底座电源自动通断控制电路；

图7是键盘输入模块的电路；

图8是力反馈旋钮扩展模块的电路；

图9是现有矩阵扫描键盘电路示意图；

图10是简版的PISO移位寄存器电路；

图11是对电机的实时闭环控制(FOC控制)的整个流程图。

图中：1-扩展坞底座；2-键盘输入模块；3-可替换的多功能交互模块；4-接触式触点；5-USB接口；6-充电口；7-力反馈旋钮扩展模块；8-视频剪辑功能模块；9-MIDI输入模块；10-直播台模块；11-3D建模3D鼠标模块。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

实施例1

如图1-5，一种可替换模块化键盘电子设备，包括扩展坞底座1、键盘输入模块2和可替换的多功能交互模块3，键盘输入模块2和可替换的多功能交互模块3通过若干接触式触点4连接在扩展坞底座1顶部；扩展坞底座1侧面设有若干USB接口5和一个充电口6，可替换的多功能交互模块3包括力反馈旋钮扩展模块7、视频剪辑功能模块8、MIDI输入模块9、直播台模块10、3D建模3D鼠标模块11。

扩展坞底座1的电路包括USB-HUB模块和电池电源管理模块，电池电源管理模块包括电压调节电路、充放电保护电路和电源自动通断控制电路。

如图6，电源自动通断控制电路包括一个P型MOS管、一个三极管和若干外围器件。

如图7，键盘输入模块2的电路包括微动开关、RGB可编程彩灯、按键扫描电路和主控电路，按键扫描电路使用并行转串行的移位寄存器方式实现按键扫描功能。

可替换的多功能交互模块3由扩展坞底座1的电池供电，通过串口、SPI或I2C总线与键盘输入模块2通信或者通过USB接口5与扩展坞底座1通信。

如图8，力反馈旋钮扩展模块7的电路包括电源模块、主控模块、通信模块、电机驱动模块和备选外设模块。

力反馈旋钮扩展模块7的内部电路对电机进行实时闭环控制，对用户操作进行实时反馈，模拟阻尼、弹簧、多档旋钮和惯性旋钮的物理效果。

最后应说明的是，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种可替换模块化键盘电子设备，其特征在于，包括扩展坞底座、键盘输入模块和可替换的多功能交互模块，所述键盘输入模块和可替换的多功能交互模块通过若干接触式触点连接在所述扩展坞底座顶部；所述扩展坞底座侧面设有若干USB接口和一个充电口，所述可替换的多功能交互模块包括力反馈旋钮扩展模块、带显示屏和触摸屏的输入输出模块、三维摇杆输入模块、生物识别输入模块、视频剪辑功能模块、MIDI输入模块、直播台模块和3D建模3D鼠标模块。

2.根据权利要求1所述的可替换模块化键盘电子设备，其特征在于，所述扩展坞底座的电路包括USB-HUB模块和电池电源管理模块，所述电池电源管理模块包括电压调节电路、充放电保护电路和电源自动通断控制电路。

3.根据权利要求2所述的可替换模块化键盘电子设备，其特征在于，所述电源自动通断控制电路包括一个P型MOS管、一个三极管和若干外围器件。

4.根据权利要求1所述的可替换模块化键盘电子设备，其特征在于，所述键盘输入模块的电路包括微动开关、RGB可编程彩灯、按键扫描电路和主控电路，所述按键扫描电路使用并行转串行的移位寄存器方式实现按键扫描功能。

5.根据权利要求1所述的可替换模块化键盘电子设备，其特征在于，所述可替换的多功能交互模块由扩展坞底座的电池供电，通过串口、SPI或I2C总线与键盘输入模块通信或者通过USB接口与扩展坞底座通信。

6.根据权利要求1所述的可替换模块化键盘电子设备，其特征在于，所述力反馈旋钮扩展模块的电路包括电源模块、主控模块、通信模块、电机驱动模块和备选外设模块。

7.根据权利要求6所述的可替换模块化键盘电子设备，其特征在于，所述力反馈旋钮扩展模块的内部电路对电机进行实时闭环控制，对用户操作进行实时反馈，模拟阻尼、弹簧、多档旋钮和惯性旋钮的物理效果。

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