STM32蓝牙HID实战：打造低功耗、高性能的客制化键盘

一、项目概述

本项目旨在使用STM32单片机打造一款功能强大的蓝牙客制化键盘，它拥有以下特点：

• 九键布局，小巧便携: 满足日常使用需求，方便携带。
• 全键可编程: 所有按键和旋钮均可通过电脑软件自定义快捷键，实现个性化功能。
• 蓝牙无线连接: 摆脱线缆束缚，提供更自由的使用体验。

二、硬件设计

2.1 硬件平台

• 主控芯片: STM32F103C8T6
• 蓝牙模块: HC-05
• 按键: 机械轴*9
• 旋钮编码器: EC11
• 其他: 电焊、杜邦线、PCB板等

2.2 电路原理图

2.3 PCB设计

• 使用KiCad等EDA软件进行PCB设计，确保电路稳定可靠。
• 采用合理的布局，优化空间利用率，打造紧凑的外观。

三、软件设计

3.1 开发环境

• IDE: Keil MDK
• 编译器: ARMCC
• 调试器: ST-Link

3.2 软件架构

3.3 代码实现

3.3.1 蓝牙初始化

void Bluetooth_Init(void)
{// 设置蓝牙模块波特率为9600USART1_Init(9600);// 发送AT指令进入AT模式USART1_SendString("AT\r\n");// 设置蓝牙模块名称USART1_SendString("AT+NAME=CustomKeyboard\r\n");// 设置蓝牙模块配对密码USART1_SendString("AT+PIN=1234\r\n");// 设置蓝牙模块为从模式USART1_SendString("AT+ROLE=0\r\n");// 开启蓝牙模块USART1_SendString("AT+CMODE=1\r\n");
}

代码解释:

• 这部分代码首先初始化了STM32的USART1，用于与HC-05蓝牙模块通信。
• 随后，代码发送一系列AT指令配置蓝牙模块：
  • AT: 测试指令，确保蓝牙模块连接正常。
  • AT+NAME=CustomKeyboard: 设置蓝牙模块名称为 "CustomKeyboard"。
  • AT+PIN=1234: 设置蓝牙模块配对密码为 "1234"。
  • AT+ROLE=0: 将蓝牙模块设置为从模式，等待连接。
  • AT+CMODE=1: 允许蓝牙模块连接任何地址的设备。

3.3.2 按键扫描

uint8_t KeyScan(void)
{// 扫描按键矩阵// ...// 返回按键值return key_value;
}

代码解释:

• 这段代码是按键扫描函数的框架。你需要根据你的硬件电路实现具体的按键扫描逻辑。
• 一般来说，你需要使用GPIO模拟矩阵键盘的扫描方式，检测哪个按键被按下。
• 函数最后需要返回被按下的按键码，如果没有按键按下则返回0。

3.3.3 旋钮读取

int8_t Encoder_Read(void)
{static uint8_t last_state = 0;uint8_t current_state = (GPIOB->IDR & 0x03); // 读取A、B相电平if (current_state != last_state) {if ((current_state == 0x01 && last_state == 0x03) ||(current_state == 0x03 && last_state == 0x02) ||(current_state == 0x02 && last_state == 0x00) ||(current_state == 0x00 && last_state == 0x01)) {return 1; // 顺时针旋转} else {return -1; // 逆时针旋转}}last_state = current_state;return 0; // 未旋转
}

代码解释:

• 这段代码实现了读取旋转编码器数值的逻辑。
• 它首先读取编码器的A、B两相的电平状态。
• 然后通过对比当前状态和上次状态，判断编码器的旋转方向。
• 如果顺时针旋转，返回1；逆时针旋转，返回-1；没有旋转，返回0。

3.3.4 数据处理

• 键盘使用特定的数据格式将按键信息和旋钮信息发送给电脑：

  • 第一个字节代表数据类型：
    • 0x01：代表按键按下/弹起事件。
    • 0x02：代表旋钮旋转事件。
  • 第二个字节代表按键码或旋钮方向：
    • 对于按键事件，该字节表示被按下或弹起的按键的键码。
    • 对于旋钮事件，该字节为 0x00 表示逆时针旋转， 0x01 表示顺时针旋转。

• 定义按键码：

#define KEY_1 0x01
#define KEY_2 0x02
// ...
#define KEY_9 0x09

• 数据打包：

uint8_t data_buffer[2];void Data_Process(uint8_t key_value, int8_t encoder_value) {if (key_value != 0) {// 处理按键事件data_buffer[0] = 0x01; // 数据类型：按键data_buffer[1] = key_value; // 按键码} else if (encoder_value != 0) {// 处理旋钮事件data_buffer[0] = 0x02; // 数据类型：旋钮data_buffer[1] = (encoder_value > 0) ? 0x01 : 0x00; // 旋转方向}
}

3.3.5 蓝牙发送

void Bluetooth_Send(uint8_t *data, uint8_t len) {// 通过蓝牙串口发送数据for (uint8_t i = 0; i < len; i++) {USART1_SendByte(data[i]);}
}

代码解释:

• 这段代码实现了通过蓝牙串口发送数据的函数。
• 它接受一个指向数据缓冲区的指针 data 和数据的长度 len 作为参数。
• 函数内部使用循环遍历数据缓冲区，并将每个字节数据通过 USART1_SendByte 函数发送出去。

代码实例:

// 假设 data_buffer 已经填充了要发送的数据
uint8_t data_buffer[2] = {0x01, 0x03}; // 例如：按键事件，按键码为 KEY_3// 通过蓝牙发送数据
Bluetooth_Send(data_buffer, sizeof(data_buffer)); 

完整代码示例:

// ... 其他代码 ...// 蓝牙发送函数
void Bluetooth_Send(uint8_t *data, uint8_t len) {// 通过蓝牙串口发送数据for (uint8_t i = 0; i < len; i++) {USART1_SendByte(data[i]);}
}// 主函数
int main(void) {// ... 初始化代码 ...while (1) {// 扫描按键uint8_t key_value = KeyScan();// 读取旋钮状态int8_t encoder_value = Encoder_Read();// 处理数据Data_Process(key_value, encoder_value);// 如果有数据需要发送if (data_buffer[0] != 0) {// 通过蓝牙发送数据Bluetooth_Send(data_buffer, sizeof(data_buffer));// 清空数据缓冲区data_buffer[0] = 0; }}
}

注意:

• 你需要根据你的硬件电路和数据协议，修改 KeyScan， Encoder_Read 和 Data_Process 函数的具体实现。
• 你需要将 USART1_SendByte 函数替换为你实际使用的串口发送函数。

四、电脑端软件

为了实现自定义快捷键功能，你需要开发一个电脑端软件，该软件需要实现以下功能：

1. 连接蓝牙键盘: 搜索并连接你的蓝牙键盘设备。
2. 接收数据: 持续接收来自蓝牙键盘的数据。
3. 解析数据: 根据预定义的数据格式解析接收到的数据，识别按键事件和旋钮事件。
4. 执行快捷键: 根据用户预先设置的快捷键映射关系，执行相应的操作。例如，用户可以将 KEY_1 映射为 Ctrl+C 快捷键，将旋钮顺时针旋转映射为 音量+ 操作。

以下是一个使用 Python 实现的电脑端软件示例代码：

import bluetooth
import keyboard  # 需要安装 keyboard 库: pip install keyboard# 蓝牙键盘设备地址
BT_ADDR = "00:11:22:33:44:55"
# 蓝牙服务UUID
BT_UUID = "00001124-0000-1000-8000-00805F9B34FB"def handle_data(data):"""处理接收到的数据"""data_type = data[0]data_value = data[1]if data_type == 0x01:  # 按键事件key_code = data_valueprint(f"按键事件: {key_code}")# TODO: 根据 key_code 执行相应的快捷键操作elif data_type == 0x02:  # 旋钮事件direction = "顺时针" if data_value == 0x01 else "逆时针"print(f"旋钮事件: {direction}")# TODO: 根据 direction 执行相应的操作def main():"""主函数"""print("正在搜索蓝牙设备...")devices = bluetooth.discover_devices(lookup_names=True)for addr, name in devices:if addr == BT_ADDR:print(f"找到设备: {name} ({addr})")breakelse:print("未找到设备")returnprint("正在连接...")sock = bluetooth.BluetoothSocket(bluetooth.RFCOMM)sock.connect((BT_ADDR, 1))  # 假设蓝牙服务端口号为 1print("连接成功")try:while True:data = sock.recv(1024)if data:handle_data(data)except KeyboardInterrupt:print("程序退出")finally:sock.close()if __name__ == "__main__":main()

代码说明:

1. 导入库: 导入 bluetooth 库用于蓝牙通信，导入 keyboard 库用于模拟键盘操作。
2. 定义常量: 定义蓝牙键盘的设备地址 BT_ADDR 和服务 UUID BT_UUID。
3. handle_data() 函数: 该函数用于处理接收到的数据，根据数据类型和数据值执行相应的操作。
4. main() 函数: 该函数是程序的入口点，负责搜索蓝牙设备、连接设备、接收数据并调用 handle_data() 函数处理数据。
5. 模拟快捷键: 在 handle_data() 函数中，你可以使用 keyboard 库提供的函数模拟键盘操作来实现快捷键功能。例如，使用 keyboard.press_and_release('ctrl+c') 模拟 Ctrl+C 快捷键。

注意:

• 你需要将 BT_ADDR 替换为你的蓝牙键盘的实际地址。
• 你需要根据你的键盘硬件和数据协议修改代码。
• 你需要根据你的需求修改 handle_data() 函数中的快捷键映射关系。

五、总结

本文介绍了如何使用STM32制作一款蓝牙客制化键盘，并详细讲解了硬件设计、软件设计以及数据传输协议等方面的内容。通过该项目，你可以学习到蓝牙通信、按键扫描、编码器读取等知识，并锻炼嵌入式系统开发能力。

你可以根据自己的需求，进一步扩展键盘的功能，例如增加RGB背光、支持多层配置、实现宏定义等。