はじめに

BUFFALOのテンキーボードBSTK100にATmega32U4マイコンボードを組み込み、プログラマブルテンキーボードに改造する。

テンキーボードBSTK100を分解する

BSTK100は安価で、分解が容易、かつ、くさび型のため内部にマイコンを格納するスペースに余裕がある。

本体裏側から2本のネジを外すだけで簡単に分解できる。内部のプリント基板もネジ1本で留まっているだけ。

キートップは本体表面に留まっている。キーマトリクスフィルムは11ピンのフレキシブルケーブルでプリント基板のソケットに接続されている。

基板にはCol/Row番号をシルク印刷したランドが用意されており、このランドにポリウレタン銅線を簡単にハンダ付けできる。
NumLockキーは基板右側のタクトスイッチ(K1)となっている。その右側にLED(D2)青色がある。このテンキーをWindowsPCで普通に使用すると、NumLockのオン/オフに連動してLEDが点灯/消灯する。

キーマトリクスを調べる

11ピンコネクタ(J2)の左から順に以下のCol/Rowとなっている。

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
Col0	Col1	Col2	Col3	Row0	Row1	Row2	Row3	Row4	Row5	Col4

また、キーマトリクスは以下の通り。

行\列	Col0	Col1	Col2	Col3	Col4
Row0	NumLock
Row1		-	*	/
Row2	7	8	9	BackSpase
Row3	4	5	6	+
Row4	1	2	3	Enter	Tab
Row5	0	00		.

Row0がNumLockキーだけの割り当てのため、Row0をRow1に短絡させることで、1行減らすことができる。

行\列	Col0	Col1	Col2	Col3	Col4
Row0/1	NumLock	-	*	/
Row2	7	8	9	BackSpase
Row3	4	5	6	+
Row4	1	2	3	Enter	Tab
Row5	0	00		.

Col4もTabキーだけの割り当てのため、1列減らしたいところであるが、Row4のためそれができない（Row5なら減らせた）。結局、デジタルピンが10本必要となる。

LEDの配線引き出し

プリント基板上のLEDの配線を追っていくと、一方（赤線）は、1KΩのチップ抵抗を経由して5Vとシルク印刷されたランドに繋がっている。他方（青線）は、黒い樹脂で固められたマイコンに向かっていることがわかる。5V側がアノード、マイコン側がカソードだ。カソード側にはランドがないので、適当な場所のレジストを削ってはんだ付けする必要があるが、抵抗も含めてそのまま使える。

ATmega32U4ボードのデジタルピンに対応させる

今回は以下のように割り当てることにする。

Col0	Col1	Col2	Col3	Col4	Row0/1	Row2	Row3	Row4	Row5	LED
RX	TX	D11	D10	D9	A0	A1	A2	MO	MI	SCK
0	1	11	10	9	18	19	20	16	14	15

テンキーのLEDはプログラムからON/OFFできるようにするため、アノード側はSCK(D15)へ、カソード側はGNDへ接続する。

USBケーブルの配線

基板左側にハンダ付けされているUSBケーブルを取り外し、ATmega32U4ボードのUSB端子に下図の通り結線する。

ポリウレタン銅線で結線した様子。

導通確認

Keypadライブラリを使用してテストプログラムを作成する。テンキーボードのキーを押したときにキートップ文字がシリアルモニターに出力されれば結線は正常。同時にテンキー上のLEDが点滅する。
Serial.printの代わりにKeyboard.printとかに変更すれば、一旦、元のテンキーの機能が復活する。

導通確認プログラム

#include <Keypad.h>

//digital pins
#define PIN_SCK (15)
#define PIN_MI  (14)
#define PIN_MO  (16)
#define PIN_A2  (20)
#define PIN_A1  (19)
#define PIN_A0  (18)
#define PIN_D9   (9)
#define PIN_D10 (10)
#define PIN_D11 (11)
#define PIN_TX   (1)
#define PIN_RX   (0)

#define LED_BLUE PIN_SCK

const byte ROWS = 5; // 5 rows
const byte COLS = 5; // 5 columns

// Define the Keymap
char keys[ROWS][COLS] = {
  {'n', '-', '*', '/', '\0'},  // n:numlock
  {'7', '8', '9', 'b', '\0'},  // b:backspace
  {'4', '5', '6', '+', '\0'},
  {'1', '2', '3', 'e', 't'},   // e:enter,  t:tab
  {'0', 'z', '\0', '.', '\0'}, // z:00
};

byte rowPins[ROWS] = { PIN_A0, PIN_A1, PIN_A2, PIN_MO, PIN_MI };
byte colPins[COLS] = { PIN_RX, PIN_TX, PIN_D11, PIN_D10, PIN_D9 }; 

// Create the Keypad
Keypad keypad = Keypad(makeKeymap(keys), rowPins, colPins, ROWS, COLS);

void setup() {
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT); //onboard RED led
  pinMode(LED_BLUE, OUTPUT); // tenkey BLUE led
  Serial.begin(115200);
}

void loop() {
  char key = keypad.getKey();
  if (key) {
    Serial.print(millis());
    Serial.print("\t");
    Serial.println(key);
    ledSign();
  }
  delay(10);
}

void ledSign() {
  digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);
  digitalWrite(LED_BLUE, HIGH);
  delay(100);
  digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);
  digitalWrite(LED_BLUE, LOW);
}

ここまで来たら、各々のキーにお好みのキーコードやキーコードシーケンスを割り当てることで、自分専用のカスタマイズキーボードは完成だ。

128x32ドットOLED液晶ディスプレイモジュールを組み込む

このテンキーボードは内部スペースに余裕があるので、さらに128x32ドットOLED液晶ディスプレイモジュールも組み込んでみる。

I2C接続のため、ATmega32U4ボードのSCL/SDAに接続するだけ。ただし、ピンヘッダーが最初からハンダ付けされているので、これを取り外してポリウレタン銅線で結線する。
テンキーの上部にH12mm x W32mmの四角い穴を開けて裏から留める。BUFFALOの文字が一部欠けてしまうが仕方ない。

綺麗に加工するのは難しい。歪になってしまった。

このディスプレイに種々情報を表示することで、プログラマブルの幅が広がる。例えば、NumLockキーをモード切り替えのキーとして、N面のモードをサポートし、モードごとにキーとキーコードの対応をさせることで、19キー×N面＝数十〜数百通りのキーコードを割り当て可能となる。これは一例なので、様々工夫することで、さらに使いやすいプログラマブルキーボードになるはずだ。

表示ライブラリはU8g2を使用した。

例として、

10キーモード：キートップ文字通りのキーコードを送出
マウスモード：マウスを1ドッド単位で上下左右に移動。マウス右/左ボタンのロック。
カーソルモード：矢印キーコードを送出。Shift/Control/Altキーのロック。
Preset1：Windowsで便利なキーコードを送出
Preset2：Macで便利なキーコードを送出
Preset3：仕事で便利なキーコードを送出

電卓モードがあってもいいかも。電卓のように四則演算した結果をPCへ送出することも可能だ。実際、電卓モードを備えたテンキーも販売されている。

おわりに

ディスプレイを付けたことで、プログラマブルの幅を広げることができた。実際に何をどう割り当てるかは、今後ゆっくり考えることにする。

＜2021.9.28追記＞
その後、マウス移動やカーソル移動系の機能は、こちらの回転型デバイスに役割を移したため、当記事のプログラマブルテンキーはディスプレイが必要なほど多機能である必要がなくなった。そのため、ディスプレイ無しのシンプルなものに作り直した。

モードは3つだけ。

オリジナルテンキーのNumLockオン時のキーコード送出（LED点灯）
オリジナルテンキーのNumLockオフ時のキーコード送出（LED消灯）
PC普段使いで便利なキーコードを送出（LED点滅）

プログラマブルテンキーとしては、3.のモードだけとなり、使えるキー数はMax19と減ったが、普段使いとしてはこれだけあれば十分である。実際、半数ほどのキーが未割当のままだ。

以上

プログラマブルテンキーを作る