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。
#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](https://github.com/olikraus/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