一、前言

硬件模拟键盘是一种通过物理硬件设备模拟键盘操作的技术。它可以模拟按下和释放各种按键，将人工的键盘输入映射为计算机的键盘操作。这种技术在各种场景下都有广泛的应用，包括自动化测试、游戏辅助、多媒体控制等。

硬件模拟键盘的设备通常被称为"键鼠模拟器"或"键盘模拟器"，可以通过连接到计算机的USB接口或其他接口来实现模拟键盘的按键操作。它们通常具备模拟按键、定制按键功能、批量操作和定时触发等特性，允许用户按需设置和触发键盘操作。

使用硬件模拟键盘设备的好处是它们通常比软件模拟键盘更可靠、稳定，并且不依赖于特定的操作系统或软件环境。它们可以在各种计算机设备上运行，并兼容于不同的应用程序和系统。

然而，在使用硬件模拟键盘设备时，需要确保设备的兼容性和驱动程序的安装。同时，也要遵守相关的法律法规，合法合规地使用硬件模拟键盘设备。

总而言之，硬件模拟键盘是一种强大的技术，可以模拟键盘操作并将其映射到计算机上。它在各种场景下都有重要的应用，为用户提供了更多的灵活性和便利性。

二、设计框图及原理介绍

流程图及原理图的绘制都是在Scheme-it网页上完成的，操作很简单。下面是分享链接：

https://www.digikey.cn/schemeit/project/detail/8b7338dc5cd44ea8b75a3bc2da9e8f8e

如框图所示，由RP2040-十二指神探拓展板给模拟按键模块提供电源VCC，可提供3.3V或5V的输入电源，模拟按键模块再根据用户按键情况输出不同的电压，模拟按键模块共有六个按键，可输出七种不同的电压，模拟按键模块输出的电压再传输到RP2040-十二指神探拓展板，RP2040-十二指神探拓展板共有三个接口可以接收模拟信号，选其中一个作为接收端就可以了，然后在电脑上将电压显示出来，以此判断用户按下的哪个按键。

硬件模拟按键不仅是由离散电压电平控制的各种应用的理想解决方案，也适用于自由引脚数量有限的应用，包括小型报警系统的密码终端、各种嵌入式应用中的选件，以及引脚数量较少的各种小型 DIY 项目。

十二指神探拓展板是一款基于树莓派基金会推出的微控制器RP2040制作的多功能硬件调试助手 - 取名为“12指神探”，意为它有12根引脚、功能灵活、搭配不同的程序，可以做成各种调试器。这主要得益于RP2040的几个特性：

• 内部有两个Arm Cortex M0+的内核，官方推荐时钟为133MHz，实际超频到250MHz没有问题；
• 每根管脚都可以独立编程（类似FPGA的状态机，可以通过汇编语言编程）使用的PIO，可以用来生成各种常用的、以及自定义的协议；
• RP2040的管脚可以灵活配置后成组支持最常用的串行总线 - SPI、I2C、UART以及PWM；
• 原生支持MicroPython，方便对软件不是很擅长的用户根据需要从网上获取开源的程序灵活使用，而不彼此影响。

这个模块是通过Type C的USB接口提供供电、下载以及通信的功能，板上有5V转3.3V，最高支持800mA的电压变换器，在12根引脚上也将5V和3.3V引出，方便对其它外设板供电。

硬件技术规格：

• 基于RP2040微控制器
• 板上2MB Flash
• 板上12MHz晶体
• 板上有5V转3.3V 的同步降压转换芯片，提供最高800mA电流
• 板上一颗红色LED用来指示3.3V正常
• 板上一颗绿色LED用来提供给编程使用
• 做成双排2.54mm间距的连接器，可以方便插在面包板上或其它扩展板上，灵活地支持各种功能

三、原理图及芯片介绍

原理图的设计如下图所示，使用了FastBond活动中要求的一家厂商的芯片，TI公司的OPA344运放芯片，下面会做详细介绍。

如前所述，Click 板的工作原理非常简单：它包含一个由六个 1 kΩ 电阻器组成的分压器。这些电阻串联在一起，每个连接点都与按键的一个引脚相连。按下按钮后，相应的连接点将被重新定向到 OPA344 的输入端，OPA344 是德州仪器公司的一款低功耗运算放大器，配置为统一增益，为微控制器 (MCU) 的输入端提供缓冲。这样可以防止 MCU 输入引脚的阻抗发生变化，并提供有限的 ESD 保护。

用两个等效电阻（RE1 为上部电阻组，RE2 为下部电阻组）代替分压器电阻，可以更好地理解其原理：按下最上面的按钮（T1）时，等效 RE1 电阻为 0 Ω，因此无论 RE2 电阻是多少，输出电压都等于 VCC。按下第二个按钮 (T2) 时，等效 RE1 电阻为 1 kΩ，而 RE2 电阻为 5K。现在可以使用简单的分压公式轻松计算 输出引脚上的电压：

V_OUT=VCC ∙ RE2 / (RE1+RE2)

按下第三个 (T3) 按钮时，RE1 为 2 kΩ，RE2 为 4 kΩ，依此类推。根据这一原理，可以很容易地计算出每个按钮的离散电压电平，具体取决于 VCC 的值。

分压器的 VCC 电压可通过接十二指神探的两个不同供电接口进行选择，可选择 3.3V 或 5V 电源作为 VCC 源。十二指神探拓展板的 A/D 转换器可对输出电压其进行采样，并用于控制设备。由于模拟按键只需一个引脚即可工作，因此非常适合引脚数限制较多的应用。

OPA344产品描述：

OPA344 和 OPA345 系列轨至轨 CMOS 运算放大器专为精密、低功耗、微型应用而设计。OPA344 具有稳定的单位增益，而 OPA345 则针对增益大于或等于 5 的情况进行了优化，其增益带宽乘积为 3MHz。OPA344 和 OPA345 经过优化，可在 2.5V 和 3.5V 单电源下工作。OPA344 和 OPA345 经过优化，可在 2.5V 至最高 5.5V 的单电源下工作，输入共模电压范围可扩展至 1.5V。共模电压范围为 300mV的输入共模电压范围。静态电流仅为250µA（最大值）。轨至轨输入和输出使其成为驱动采样模数转换器。它们还非常适合通用和音频应用，并在 D/A 转换器输出端提供 I/V转换。单通道、双通道和四通道单通道、双通道和四通道版本规格相同，设计灵活。有多种封装可供选择。所有产品的指定工作温度范围为工作温度范围为 -40ºC 至 85ºC。用于设计分析的 SPICE 宏模型可从 www.ti.com 下载用于设计分析的 SPICE 宏模型。

特点：

• 全轨到轨输入：该设备支持输入电压在整个供电电压范围内变化。
• 全轨到轨输出（误差在1mV以内）：该设备可以提供与供电电压轨道之间误差在1毫伏以内的输出电压。
• 低静态电流：在待机或空闲模式下，该设备的电流消耗较低，典型值约为150微安。
• 微型封装：该设备提供SOT23-5、MSOP-8和TSSOP-14等小封装，适用于空间受限的应用。
• 增益带宽：OPA344型号的增益带宽为1MHz，且在增益大于等于1时可以提供稳定的放大。OPA345型号的增益带宽为3MHz，且在增益大于等于5时可以提供稳定的放大。
• 峰值响应：OPA344型号的峰值响应为0.8伏/微秒，它决定了输出电压在快速输入信号下的变化速率。OPA345型号的峰值响应更高，为2伏/微秒。
• 总谐波失真+噪声：0.006%

应用领域：

• PCMCIA卡
• 数据采集
• 过程控制
• 音频处理
• 通信
• 主动滤波器
• 测试设备

四、结语

FastBond2阶段只要求绘制出原理图和流程框图，还是比较简单。在这个过程中我也学会了一些新的绘制原理图的工具的用法，也了解了更多的元器件，了解了更多关于模拟按键的相关知识，收获很多。