การออกแบบและการผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB) แบบเมทริกซ์สำหรับแป้นพิมพ์ | ป้องกันการกดแป้นพิมพ์ซ้ำซ้อน (Anti-Ghosting)

การออกแบบแผงวงจรพิมพ์แบบเมทริกซ์ของแป้นพิมพ์จะแปลงสวิตช์จำนวนมากให้เป็นชุดสัญญาณแถวและคอลัมน์ควบคุมที่ ใช้งานได้จริง เมทริกซ์ ทิศทางไดโอด จังหวะการสแกน การลดการสั่นสะเทือน ตำแหน่งการจัดวางเสริม และแผนผังขาเฟิร์มแวร์ต้องอธิบายถึงผลิตภัณฑ์ที่สอดคล้องกัน การผิดพลาดในการเดินสายอาจส่งผลกระทบต่อปุ่มเพียงปุ่มเดียว แถวทั้งหมด คอลัมน์ หรือการรวมกันของหลายปุ่มที่เฉพาะเจาะจง ดังนั้นการทดสอบการผลิตจึงต้องไปไกลกว่าการตรวจสอบความต่อเนื่องของแผงวงจรเปล่า

Highleap Electronics ให้บริการด้านการผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB) สำหรับคีย์บอร์ด การประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCBA) การเขียนโปรแกรมเฟิร์มแวร์ และการพัฒนาอุปกรณ์ทดสอบเมทริกซ์สำหรับคีย์บอร์ดเชิงกล ปุ่มกด และแผงควบคุม ลูกค้าสามารถขอใบเสนอราคาเบื้องต้นได้โดยระบุจำนวนปุ่ม รูปแบบ และปริมาณที่ต้องการ โดยไม่จำเป็นต้องส่งแผนผังวงจรฉบับสมบูรณ์ในการติดต่อครั้งแรก

เมทริกซ์แป้นพิมพ์จำนวนมากถูกสร้างขึ้นบนแผ่นทองแดงสองชั้น และอาจใช้ส่วนประกอบทั้งสองด้าน แผ่นวงจรพิมพ์สองชั้นไม่เหมือนกับการประกอบด้านเดียว และการเดินสายเมทริกซ์ไม่ควรถูกอธิบายว่าต้องใช้แผ่นวงจรพิมพ์ด้านเดียวเพียงเพราะมองเห็นสวิตช์อยู่ด้านบน

ข้อมูลนำเข้าสำหรับการออกแบบและสถาปัตยกรรมเมทริกซ์แป้นพิมพ์

การใช้แถวและคอลัมน์ช่วยลดจำนวนพินโดยการสแกนจุดตัดแทนที่จะกำหนดพิน MCU หนึ่งพินให้กับทุกปุ่ม ขนาดของเมทริกซ์ควรเลือกโดยคำนึงถึงความพร้อมใช้งานของ GPIO ของ MCU การกำหนดเส้นทางทางกายภาพ การรองรับเฟิร์มแวร์ และตำแหน่งปุ่มเสริม เมทริกซ์ที่มีประสิทธิภาพไม่จำเป็นต้องเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าทางคณิตศาสตร์ที่เล็กที่สุดเสมอไป เมทริกซ์ที่ใหญ่กว่าเล็กน้อยอาจให้การกำหนดเส้นทางที่เรียบร้อยกว่าหรือรองรับรูปแบบต่างๆ ได้ดีกว่า

ข้อมูลป้อนเข้าสำหรับการจัดซื้อและการออกแบบแผงวงจรพิมพ์เมทริกซ์แป้นพิมพ์

ใบเสนอราคาแรกไม่จำเป็นต้องมีแพ็คเกจไฟฟ้าที่สมบูรณ์ แต่ในท้ายที่สุดแล้ว การอนุมัติการผลิตจำเป็นต้องมีการกำหนดตำแหน่งปุ่มที่ชัดเจน ข้อมูลเบื้องต้นที่มีประโยชน์ที่สุดคือเค้าโครงทางกายภาพ จำนวนปุ่มโดยประมาณ อินเทอร์เฟซที่ต้องการ และว่าลูกค้ามีเฟิร์มแวร์อยู่แล้วหรือไม่ จากนั้น Highleap จะสามารถระบุได้ว่าโครงการนั้นเป็นการสร้างเมทริกซ์แบบง่าย การแปลงเค้าโครง หรือแพ็คเกจการผลิตพร้อมคอนโทรลเลอร์และเฟิร์มแวร์

ไดโอด, การเกิดภาพซ้อน และการกดปุ่มซ้ำ

เหตุใดจึงเกิดภาพซ้อน

หากไม่มีการแยกวงจร การกดปุ่มสามปุ่มพร้อมกันบางแบบอาจทำให้เกิดเส้นทางกระแสไฟฟ้าที่ไม่พึงประสงค์ ซึ่งปรากฏเป็นปุ่มที่สี่ไดโอดเมทริกซ์จะจำกัดทิศทางของกระแสไฟฟ้า และมักติดตั้งไว้ในแต่ละสวิตช์เมื่อต้องการการทำงานแบบหลายปุ่มที่เสถียร การวางแนวของไดโอดต้องตรงกับทั้งคำจำกัดความของเมทริกซ์และทิศทางการสแกนของเฟิร์มแวร์

ระบบป้องกันภาพซ้อนไม่เหมือนกับ NKRO

ไดโอดต่อปุ่มช่วยขจัดสาเหตุทางไฟฟ้าที่สำคัญของการเกิดภาพซ้อน แต่พฤติกรรมการสลับปุ่มในขั้นสุดท้ายยังขึ้นอยู่กับเฟิร์มแวร์ รูปแบบรายงาน USB HID โปรโตคอลไร้สาย และการผสมผสานเฉพาะที่ทดสอบด้วย ดังนั้น การกล่าวอ้างทางการตลาดจึงควรเชื่อมโยงกับแผนการทดสอบที่ได้รับการอนุมัติ ไม่ใช่การอนุมานจากภาพบนแผงวงจรพิมพ์เพียงอย่างเดียว

รูปแบบการจัดวางเสริมสร้างความเสี่ยงด้านเมทริกซ์ที่ซ่อนอยู่

แผงวงจรพิมพ์อเนกประสงค์อาจรวมถึงปุ่ม Enter ตามมาตรฐาน ANSI/ISO, ปุ่ม Backspace แบบแยก, ปุ่ม Spacebar แบบแยก หรือตำแหน่งแถวล่างทางเลือกอื่นๆ รอยพิมพ์ของสวิตช์ที่ไม่ซ้ำกันสามารถใช้โหนดเมทริกซ์ร่วมกันได้ แต่แบบร่างการประกอบและเฟิร์มแวร์ต้องระบุว่าตำแหน่งใดถูกติดตั้งจริง ตำแหน่งเสริมที่ไม่สามารถควบคุมได้อาจทำให้เกิดปุ่มซ้ำกัน การผสมสีที่เป็นไปไม่ได้ หรืออุปกรณ์ทดสอบที่กดพิกัดผิด

• ระบุทิศทางการติดตั้งไดโอดให้ชัดเจน พร้อมระบุเครื่องหมายขั้วลบและภาพประกอบการประกอบ
• ป้องกันไม่ให้ตำแหน่งที่ไม่จำเป็นก่อให้เกิดเส้นทางคู่ขนานที่ไม่พึงประสงค์
• ตรวจสอบการกดปุ่มหลายปุ่มพร้อมกันที่เลือกจากกรณีการใช้งานจริงของผลิตภัณฑ์
• ระบุว่าเป้าหมายการยอมรับคือ 6KRO, NKRO หรือชุดทดสอบเฉพาะของลูกค้า

การกำหนดเส้นทางแถว/คอลัมน์ การสแกน และการเชื่อมโยงเฟิร์มแวร์

สัญญาณเมทริกซ์มีความเร็วค่อนข้างต่ำ แต่การจัดวางที่ไม่ดีอาจก่อให้เกิดปัญหาในการผลิตและปัญหา EMC ได้ การเดินสายขนานยาวๆ อาจทำให้เกิดสัญญาณรบกวนจากการสลับ LED; รูเชื่อมต่อที่อยู่ใต้ขาของสวิตช์อาจลดระยะห่างทางกล; เส้นทางการเดินสายที่อยู่ใกล้ขอบบอร์ดหรือรูยึดมากเกินไปอาจเสียหายได้ระหว่างการถอดแผงหรือการประกอบ Highleap จะตรวจสอบระยะห่าง ความสัมพันธ์ของรู การเข้าถึงไดโอด และตำแหน่งจุดทดสอบระหว่าง การตรวจ สอบDFM

• รักษาความสม่ำเสมอในการตั้งชื่อแถว/คอลัมน์ในฉลาก PCB เฟิร์มแวร์ และอุปกรณ์ต่างๆ
• วางไดโอดโดยให้ขั้วอ้างอิงมองเห็นได้ชัดเจนและอยู่ในทิศทางที่เครื่องสามารถอ่านได้
• หลีกเลี่ยงการวางเส้นทางที่ต้องลดขนาดโดยไม่จำเป็นบริเวณรูสับเปลี่ยนที่ซ้ำกัน
• จัดให้มีการเข้าถึงการทดสอบสำหรับเน็ตแบบแถวและคอลัมน์ในกรณีที่คาดว่าจะมีการวินิจฉัยอุปกรณ์จับยึด
• แยกเส้นทางจ่ายไฟ LED ที่มีสัญญาณรบกวนออกจากส่วนรีเซ็ตคอนโทรลเลอร์ ออสซิลเลเตอร์ และ USB ที่มีความไวสูง

โดยทั่วไปแล้ว วงจรเมทริกซ์มีความเร็วต่ำ แต่การวางเส้นทางวงจรยังคงส่งผลต่อความสามารถในการผลิต ความไวต่อสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า ความแออัดของขั้วต่อ และการเข้าถึงการทดสอบ แผงวงจรพิมพ์ (PCB) ของแป้นพิมพ์จำนวนมากเป็น PCB สองชั้น แม้ว่าโมดูล RGB ที่มีความหนาแน่นสูง โมดูลไร้สาย หรือส่วนควบคุมที่ซับซ้อนอาจต้องใช้ชั้นเพิ่มเติม การเทกราวด์ไม่ควรถูกนำมาใช้เป็นข้ออ้างในการปล่อยให้มีคอขวดของสายส่งกลับที่แคบ หรือการเชื่อมต่อที่วางตำแหน่งไม่ดีรอบๆ บริเวณแหล่งจ่ายไฟและ USB ที่มีสัญญาณรบกวนสูง

การสแกน การลดสัญญาณรบกวน และการเชื่อมโยงเฟิร์มแวร์

ฮาร์ดแวร์ที่วางจำหน่ายต้องตรงกับคำจำกัดความของเมทริกซ์เฟิร์มแวร์ ขาแถว ขาคอลัมน์ ทิศทางไดโอด บูตโหลดเดอร์ แผนผังแป้นพิมพ์ และรุ่นผลิตภัณฑ์ควรมีตัวระบุเวอร์ชัน การตั้งค่าดีบาวซ์ควรได้รับการตรวจสอบกับเทคโนโลยีสวิตช์หรือหน้าสัมผัสจริง แทนที่จะคัดลอกมาจากคีย์บอร์ดอื่นโดยไม่ตรวจสอบ

สำหรับQMK/VIAหรือเฟิร์มแวร์ของลูกค้า Highleap สามารถโหลดไบนารีที่ได้รับการอนุมัติและตรวจสอบการแมปคีย์ทางกายภาพไปยังคีย์เชิงตรรกะได้ การพัฒนาเฟิร์มแวร์และการเป็นเจ้าของอัลกอริทึมยังคงเป็นไปตามที่ลูกค้ากำหนด เว้นแต่จะระบุไว้เป็นอย่างอื่นในขอบเขตของโครงการ

รายการตรวจสอบการออกแบบเมทริกซ์แป้นพิมพ์

การผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB), การประกอบ และการพัฒนาอุปกรณ์ทดสอบ

รูปแบบการสลับและไดโอดที่ซ้ำกันทำให้แผงแป้นพิมพ์เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการประกอบอัตโนมัติ แต่รูปแบบที่ซ้ำกันก็อาจซ่อนข้อผิดพลาดที่เป็นระบบได้เช่นกัน การตั้งโปรแกรมไดโอดกลับด้านหรือการวางแนวตัวป้อนที่ไม่ถูกต้องอาจส่งผลกระทบต่อแผงวงจรทั้งหมด ดังนั้น การตรวจสอบชิ้นงานแรกจึงควรตรวจสอบขั้วที่พิกัดหลายจุดและยืนยันการสแกนปุ่มจริงก่อนที่จะดำเนินการผลิตทั้งล็อต

การทดสอบทางไฟฟ้าบนแผงวงจรเปล่าตรวจสอบการเชื่อมต่อของทองแดงได้ แต่ไม่สามารถพิสูจน์พฤติกรรมของเมทริกซ์หลังจากเพิ่มส่วนประกอบและเฟิร์มแวร์แล้ว AOI ตรวจจับข้อบกพร่องด้านขั้วและการบัดกรีได้หลายอย่าง ในขณะที่อุปกรณ์ทดสอบการทำงานจะตรวจสอบระบบ ทั้งสองอย่างจำเป็นสำหรับการควบคุมที่มีความหมาย

ไม่จำเป็นต้องมีแผนผังวงจร PCB สำหรับการเสนอราคาเบื้องต้น ลูกค้าสามารถเริ่มต้นด้วยเค้าโครง จำนวนปุ่ม และฟังก์ชันที่ต้องการได้ รายละเอียดเมทริกซ์และข้อมูลการปล่อยผลิตภัณฑ์จะได้รับการยืนยันก่อนการผลิต

อุปกรณ์ทดสอบเมทริกซ์และการแยกความล้มเหลว

อุปกรณ์ตรวจสอบที่ดีควรทำมากกว่าแค่รายงานว่า “แป้นพิมพ์ล้มเหลว” มันควรระบุกลุ่มสาเหตุที่น่าจะเป็นไปได้ของความล้มเหลว หากปุ่มทุกปุ่มในแถวเดียวกันล้มเหลว อุปกรณ์ตรวจสอบหรือซอฟต์แวร์ควรชี้ไปที่วงจรแถวนั้น ขา MCU ส่วนประกอบอนุกรม หรือจุดบัดกรี หากปุ่มเดียวล้มเหลว การวินิจฉัยควรแยกแยะความแตกต่างระหว่าง หน้าสัมผัส สวิตช์หรือซ็อกเก็ตแบบถอดเปลี่ยนได้การวางแนวไดโอด วงจรเปิด และการแมปเฟิร์มแวร์

อุปกรณ์ทดสอบแบบใช้ตะปูหรืออุปกรณ์กระตุ้นปุ่มกดสามารถกระตุ้นแต่ละจุดสวิตช์ อ่านเอาต์พุต USB หรือพอร์ตอนุกรม และเปรียบเทียบผลลัพธ์กับแผนผังปุ่มกดที่ปล่อยออกมา อุปกรณ์นี้ควรสามารถแยกแยะความผิดพลาดต่างๆ ได้ เช่น วงจรเปิด ไดโอดต่อกลับด้าน สะพานบัดกรี ขา MCU ผิด และข้อผิดพลาดในการแมปเฟิร์มแวร์ การทดสอบวงจรไฟฟ้าควบคู่กับการทดสอบเหตุการณ์ระดับแอปพลิเคชันจะช่วยลดการวินิจฉัยผิดพลาดได้

1. ตรวจสอบพลังงาน สัญญาณนาฬิกา และการตั้งโปรแกรม MCU ก่อน
2. ตรวจสอบสถานะว่างของแถวและคอลัมน์
3. กระตุ้นจุดตัดทุกจุดในเมทริกซ์
4. เรียกใช้ชุดปุ่มหลายปุ่มที่กำหนดไว้สำหรับเอฟเฟ็กต์ภาพซ้อนและเอฟเฟ็กต์การกดปุ่มซ้ำ
5. ตรวจสอบตำแหน่งการจัดวางเสริมเฉพาะในเวอร์ชันที่เกี่ยวข้องเท่านั้น
6. บันทึกข้อผิดพลาดโดยระบุตำแหน่งเครือข่ายและคีย์ทางกายภาพ

NPI, การเปลี่ยนแปลงทางวิศวกรรม และบันทึกการผลิต

ในระหว่างขั้นตอน NPI (New Product Implementation) เมทริกซ์ที่ประกอบเสร็จครั้งแรกควรได้รับการตรวจสอบด้วยเฟิร์มแวร์ที่ควบคุมได้หนึ่งเวอร์ชันและแผนผังตำแหน่งปุ่มจริง การเปลี่ยนแปลงทางวิศวกรรมต้องระบุว่ามีการเปลี่ยนแปลงทองแดง ทิศทางของไดโอด ขา MCU บูตโหลดเดอร์ แผนผังปุ่ม หรือซอฟต์แวร์อุปกรณ์จับยึดหรือไม่ การแก้ไข PCB เพียงเล็กน้อยก็อาจทำให้โปรแกรมทดสอบใช้ไม่ได้ผล แม้ว่าโครงร่างโดยรวมจะไม่เปลี่ยนแปลงก็ตาม

การเสนอราคาเบื้องต้นอาจเริ่มต้นด้วยแบบแปลน ปริมาณโดยประมาณ และขอบเขตการจัดหาที่ต้องการ ก่อนการเริ่มการผลิต แพ็คเกจที่ควบคุมโดยปกติจะรวมถึงไฟล์ Gerber หรือ ODB++ ข้อมูลการเจาะ รายการวัสดุ (BOM) จุดศูนย์กลาง แบบร่างการประกอบ ตารางเมทริกซ์ ไฟล์ไบนารีเฟิร์มแวร์ แผนผังแป้นพิมพ์ และข้อกำหนดการทดสอบ

การกำหนดเมทริกซ์ เฟิร์มแวร์ และตัวแปรที่เสถียร ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของแผงควบคุม การจัดซื้อชิ้นส่วน และการนำอุปกรณ์กลับมาใช้ใหม่ ไดโอด ไมโครคอนโทรลเลอร์ และคอนเนคเตอร์ทางเลือกจะต้องได้รับการตรวจสอบในด้านบรรจุภัณฑ์ ขั้วไฟฟ้า พฤติกรรมทางไฟฟ้า และผลกระทบต่อการเขียนโปรแกรมก่อนที่จะวางจำหน่าย

บันทึกการตรวจสอบและทดสอบ PCB ของ Matrix

เมื่อระบุไว้ในคำสั่งซื้อ ข้อมูลอาจครอบคลุมถึงการทดสอบทางไฟฟ้าของแผงวงจรเปล่า การตรวจสอบขั้วไดโอด AOI การแก้ไขเฟิร์มแวร์ ผลการวินิจฉัยแถว/คอลัมน์ เอาต์พุตของทุกปุ่ม และชุดค่าผสมการหมุนเวียนที่ได้รับการอนุมัติ ข้อมูลเหล่านี้ควรเชื่อมโยงกับ PCB เฟิร์มแวร์ และรุ่นผลิตภัณฑ์เดียวกัน

คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับการออกแบบ PCB เมทริกซ์แป้นพิมพ์

เหตุใดจึงใช้ไดโอดในแผงแป้นพิมพ์?

อุปกรณ์เหล่านี้ควบคุมทิศทางกระแสไฟฟ้าผ่านตำแหน่งสวิตช์แต่ละตำแหน่ง และช่วยป้องกันเส้นทางกระแสไฟฟ้าที่ไม่พึงประสงค์ขณะกดปุ่มหลายปุ่มพร้อมกัน

ไดโอดรับประกัน NKRO โดยอัตโนมัติหรือไม่?

ไม่ ไดโอดรองรับระบบป้องกันภาพซ้อน แต่การสลับขั้วยังขึ้นอยู่กับการสแกนเฟิร์มแวร์ การส่งข้อมูล และการกำหนดค่ารายงาน HID ด้วย

แผงวงจรพิมพ์ (PCB) สำหรับเมทริกซ์แป้นพิมพ์สามารถทำเป็นสองชั้นได้หรือไม่?

ใช่แล้ว โครงสร้างแบบสองชั้นเป็นเรื่องปกติ แต่การเพิ่มระบบ RGB, ระบบไร้สาย หรือข้อจำกัดด้านการจัดวางสายเคเบิล อาจทำให้จำเป็นต้องใช้โครงสร้างหลายชั้นมากขึ้น

ควรทดสอบอะไรบ้างในขั้นตอนการผลิต?

จุดตัดของเมทริกซ์ทุกจุด ทิศทางของไดโอด การแมปคีย์เชิงตรรกะ การรวมคีย์หลายปุ่มที่กำหนดไว้ เอาต์พุต USB/ไร้สาย และตำแหน่งเสริมที่เกี่ยวข้อง