一、项目介绍

       由于平时写代码和编写实验报告中频繁用到“复制”、“黏贴”，假如能够一键实现这两个功能将会提高工作效率。键盘只保留三个按键有利于减小体积、降低成本。由于网上一下子没找到基于RP2040的对应产品，因此想借助这次WeDesign活动提供的RP2040芯片，自己动手做一个CV小键盘。

       基于上述目的，本项目将围绕RP2040展开CV小键盘的设计。该键盘共有三个按键，分别一键实现“Ctrl-C”、“Ctrl-V”和“Ctrl-X”的功能。每个按键均有LED背光灯，亮度通过电位器调节。键盘背面有4个WS2812灯珠，能够实现彩虹灯效，颜色变换的速度通过另一个电位器调节。当然，键盘上额外提供一个按键以便用户开启或关闭背面的WS2812灯珠。

二、芯片介绍

       本项目使用树莓派基金会研发的RP2040双核Cortex-M0处理器，工作频率最高133MHz，拥有 264kB 的 SRAM，通过专用 QSPI 总线支持高达 16MB 的片外闪存。拥有30个I/O端口、4 个12位ADC、2个UART串口、16个PWM通道、USB 1.1 控制器和 PHY等一系列外设。它还拥有8 个可编程 I/O (PIO) 状态机，用于自定义外设。凭借大型片上存储器、对称双核处理器复合体和丰富的外设以及可编程 I/O (PIO) 状态机，它为用户提供了无与伦比的功能和灵活性。

三、软件设计

       本项目使用Arduino平台进行嵌入式软件开发。它的优势在于扩展库丰富且例程较为详细，同时系统配置简单，大量底层的配置操作已经被封装，有助于快速上手完成原型的开发工作。为了充分发挥RP2040双核处理器的优势，本项目在Arduino平台下使用FreeRTOS编写多核程序。

       CPU0专门负责WS2812彩虹灯效的实现。不同于显示固定的颜色，彩虹灯效要求处理器不断地向WS2812发出脉冲信号从而实现灯光颜色的渐变效果。使用Adafruit_NeoPixel库驱动WS2812并实现所需的效果。

       CPU1负责USB通信、按键检测和ADC测量工作。参考内置示例“KeyboardAndMouseControl”中键盘、鼠标设备的实现方法完成本项目所需的快捷键功能。按键检测通过轮询实现，然后使用两路ADC检测两个电位器的电压，将ADC结果线性映射至LED背光灯的亮度和WS2812灯效的速度。此处背光灯亮度使用RP2040_PWM库产生三路硬件PWM信号直接驱动三个LED，信号频率1KHz。当然，如果按下键盘正面的USER按键，完成一组彩虹灯效后将关闭WS2812；如果WS2812没有开启，该按键会打开它。

四、硬件设计

        本项目使用KiCad绘制硬件原理图和PCB线路图。该EDA软件对我而言是陌生的，需要从头学起。之前做的几个东西都是嘉立创EDA设计的，验证过Type-C插座封装的可靠性，所以本项目使用了不少嘉立创EDA的封装，以防自己画图时发生失误。具体通过LCKiConverter浏览器插件完成嘉立创EDA封装的转换下载，然后将相关文件复制到KiCad工程的文件夹下即可完成导入。本项目的PCB线路图完全手动布线，因为没找到KiCad的自动布线工具。并且没找到KiCad的圆弧线工具，只能45°走线。但是，KiCad的整体界面典雅精致，比嘉立创EDA看起来舒服多了。最终，使用Fabrication Toolkit插件导出Gerber格式文件，嘉立创20块钱绿色板打样（7月要是还有WeDesign活动是不是能免费KiCad打样了？）

        本项目的主控芯片是RP2040，选用12MHz晶振（20pF，SMD3225-4P封装），Flash存储器是W25Q32FVSIG，电源芯片是友台半导体生产的AMS1117 3.3。发光器件使用3颗橙光LED，和4个WS2812B灯珠。使用两个103电位器、三个拆机青轴、三个贴片轻触开关。

五、调试经历

       本项目采用的调试流程为：tb购买最便宜最低配的RP2040核心板初步调试代码，然后设计CV键盘的电路，嘉立创打样，自行焊接。备足焊锡膏和锡浆，1个下午能够完成全部焊接，工作量还行吧。

       Arduino做RP2040时开发板类型选“VCC-GND YD RP2040”，测试下来用这个不会出问题，尽管CV键盘的Flash大小比源地的板小许多。注意在模拟组合键时，使用Keyboard.press函数模拟“按下”，最后用Keyboard.releaseAll函数“抬起”所有按键。

if  (digitalRead(keyL)==0){
    delay(10);
    Keyboard.press(KEY_LEFT_CTRL);
    delay(10);
    Keyboard.press('c');
    delay(10);
    Keyboard.releaseAll();
    while(digitalRead(keyL)==0);
  }
  else if(digitalRead(keyM)==0){
    delay(10);
    Keyboard.press(KEY_LEFT_CTRL);
    delay(10);
    Keyboard.press('v');
    delay(10);
    Keyboard.releaseAll();
    while(digitalRead(keyM)==0);
  }
  else if(digitalRead(keyR)==0){
    delay(10);
    Keyboard.press(KEY_LEFT_CTRL);
    delay(10);
    Keyboard.press('x');
    delay(10);
    Keyboard.releaseAll();
    while(digitalRead(keyR)==0);
  }

        KiCad画图时遇到的放置器件、导出Gerber等问题，百度找答案，以及看下电子森林的资料。

       原理图中1uF的应该用2.2uF。如果电脑没有识别到RP2040的串口或虚拟U盘，那么请再焊接一遍RP2040芯片、2个27欧姆电阻还有Type-C插座。有兴趣的读者可以猜猜看为什么我知道这些。另外，本项目推荐使用高质量的1117 3.3电源芯片。友台1117很好用，虽然略贵一点点。本来我想用0.1元的1117，然后焊接的前一天做其他东西时发现那1117芯片啸叫了，估计它不喜欢10uF陶瓷贴片电容吧：）

六、RP2040芯片的优势和局限

        RP2040基于双核心低功耗m0内核，省电。它有强大的可编程io（本项目没用上）来实现一些复杂的功能。RP2040能够使用Arduino快速开发，上手难度低，同时usb拖拽烧录程序简单方便，不需要额外的daplink调试器。另外，qfn封装比lqfp容易焊接，有热风枪和锡浆后，成功率高。

        但是RP2040无内置flash，必须加钱买外置flash芯片，电路布线时麻烦了不少。而且RP2040不带蓝牙wifi，需要进行无线通信时，不如使用esp32c3所以本项目刻意不加蓝牙和wifi的功能，有理由不用ESP32。对了，这个RP2040芯片应该不是国产芯片。

七、总结

       本项目是我第一次使用KiCad开展PCB设计。CV键盘总算是做好了，能用。未来希望加上更多的功能，例如宏按键切换、键盘背光灯升级为呼吸灯。至于外壳么，算了，A4纸包裹下就好了，不会影响高效地开展CV操作。