テンキーを改造して便利なガジェットを作成する

はじめに

以前Mac用に購入したがあまり使っていなかったBUFFALOのテンキーボードBSTK08Mに、最近いろいろいじっているDiymoreのATmega32U4ボードを組み込んでオリジナルキーボードを作成することを思いついた。キーボードと言っても、ショートカットキーなどの特定のキーコードシーケンスを生成することで、PC操作で楽ができる便利なガジェットを作ることが目的である。

テンキーBSTK08Mを分解する

特殊なネジは使われていなかったので、普通に小型のプラスドライバーで良い。

まず、ケース裏側の6箇所のネジを外す。上蓋ケースの内側に6箇所の爪（側面に4つ、手前に2つ）があって裏蓋を挟んでいるので丁寧に取り外す。

特に手前2箇所の爪はそのままでは外せなかったので、上側が浮いた隙間から基板を固定している4箇所のネジを外し、スイッチフィルムとその下のキーボードを取り外してやっと分離できた。

SONIX社のSN8F2267Fが使われている。
clearキーだけ打鍵感が違ったのは、ここだけタクトスイッチだったからだ。

キーマトリクスを調べる

上の写真で右側1〜11の端子にキーマトリクスが来ているので、フィルムのパターンを追って調べたところ、下表の通りであった。

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

row\col	Col0	Col1	Col2	Col3	Col4
Row0		=		-
Row1	1	2	enter	3
Row2	7	8	+	9
Row3	4	5	000	6
Row4		0		.
Row5	clear	/		*	delete

実際のキー配置と随分と違うマトリクスであるが、シート二つ折りでRow/Colの配線が横断しないパターンを設計した結果であろう。

この通りだと、デジタルピンが11本必要になるが、Col4にdeleteしか割り当てがないので、Col2に短絡させることでCol2:Row5にdeleteを移動することができる。この結果、デジタルピンを10本で済ませられる。

row\col	Col0	Col1	Col2	Col3
Row0		=		-
Row1	1	2	enter	3
Row2	7	8	+	9
Row3	4	5	000	6
Row4		0		.
Row5	clear	/	delete	*

ATmega32U4ボードのデジタルピンに対応させる

このボードは、Reset/Vcc(5v, 3v3)/Gnd以外のポートはすべてデジタルピンとして使用が可能であるため、以下のように割り当てることにする。

1	2	3	4/11	5	6	7	8	9	10	LED	-	-
Row0	Col0	Col1	Col2/4	Col3	Row1	Row2	Row3	Row4	Row5	-	-	-
SCL	SDA	RX	TX	D11	D10	D9	A0	A1	A2	SCK	MO	MI
3	2	0	1	11	10	9	18	19	20	15	16	14

このテンキーに緑のLEDがあるので、D15ピンでプログラムからON/OFFできるようにする。

緑LEDの配線

USBケーブルの4本の線を切り取った上で、GNDをGNDへ、VCCをD15ピンへ配線することで、D15ピンのHIGH/LOWでこのLEDを点灯/消灯させることができる。

ATmega32U4ボードのピンにどう配線するか

まず、赤線の通りSN8F2267Fへの配線をバッサリ遮断する。この端子は1mm間隔で11本並んでいるので、手元にあった0.26mmのポリウレタン銅線で引き出して、ATmega32U4ボードに結線することにする。

この基板と、ポリウレタン銅線、スイッチフィルムを3層構造で圧着固定する必要があるため、銅線11本をどう1mm間隔に整列させるかが悩みどころだった。
セロハンテープの粘着面を上にしておいて、先端の皮膜を剥いたポリウレタン銅線1本づつを1mm間隔で順番に貼り付けていく作戦でなんとかできた。

USBケーブルの配線

テンキーについていたUSBケーブルを取り外し、ATmega32U4ボードのUSBオスに下図の通り結線する。USBケーブルのシールド線は結線しない。

配線の仕上げと組み立て

ATmega32U4ボードごとテンキーケース内に収めるのだが、ピンヘッダを普通に使うと高さ（厚み）オーバーで蓋が閉まらない。このため、汎用基板を使わず銅線を直接ピンヘッダにハンダ付して、ピンヘッダを半分程度にカットすることでケース内に収める。USBケーブルもUSBメスにハンダ付けした。
今回は見送ったが、ATmega32U4ボードに直接ハンダ付する方が手っ取り早いはずだ。

下記写真の赤破線で囲った部分の半円筒の下側も高さ方向に2〜3mmの余裕があるため、ATmega32U4ボードをなるべく上側に寄せ、ヘッダーピンを限界までカットしたところ無事にケース内に収めることができた。

オンボードの赤LEDが中で光っているのがお分かりいただけるだろう。

以上でハードウェアは完成した。次は導通確認だ。

導通確認

Arduino IDEでテストプログラムを作成する
ここに紹介されているKeypadライブラリを使用する。テン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。同時に緑LEDが点滅するはずだ。
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_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 PIN_SDA  (2)
#define PIN_SCL  (3)
#define PIN_SCK (15)

#define LED_GREEN PIN_SCK

const byte ROWS = 6; // 6 rows
const byte COLS = 4; // 4 columns

// Define the Keymap
char keys[ROWS][COLS] = {
  {'\0', '=', '\0', '-'},
  {'1', '2', 'e', '3'}, // e : enter
  {'7', '8', '+', '9'},
  {'4', '5', 'O', '6'}, // O : 000
  {'\0', '0', '\0', '.'},
  {'c', '/', 'd', '*'}, // c : clear,  d : delete
};

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

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

void setup() {
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT); //onboard RED led
  pinMode(LED_GREEN, OUTPUT); // tenkey GREEN 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_GREEN, HIGH);
  delay(50);  // → 80
  digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);
  digitalWrite(LED_GREEN, LOW);
}

ここで問題が発生した。オンボードの赤LEDは点滅するのだが、テンキー側の緑LEDが点滅しない。テンキーを再度分解して配線を見直すも結線に問題はない。なぜ光らない？30分ぐらい悪戦苦闘のすえ、1秒ブリンクいわゆるLチカのスケッチを試すとちゃんと点滅した。あれっ！どうやらD15ピンをHIGHにしてからLOWにする時間間隔に問題があるらしい。上記の50ミリ秒では短かすぎて点灯しないのだ。試験の結果、76ミリ秒が限界値と判明した。安全を見て80ミリ秒に変更して導通確認を完了した。キーパッドの読み取りは一発で成功。

余談だが、この緑LEDは点滅時にカチカチと音が鳴る。音の発生源をちゃんと調べていないが、元の基板の配線を流用していることに問題がある可能性がある。

独自キーボードの「仕様」を考える

元のテンキーの機能も残しつつ、独自のキーシーケンスも送出できるようにする。このため、テンキー左上のclearを「機能キー」と位置付け、モードの切り替えに使用するキーとし、
clearを押すたびに、モード1 → モード2 → モード3 → モード1 と3つのモードが順に切り替わるようにする。また、clearを押したことで今がどのモードなのかを、緑LEDの点滅回数で知らせるようにする。各モードの意味を下表に示す。

モード	緑LEDの 点滅回数	意味（目的）
1	1	モード1としてプログラムしたキーシーケンスを送出する
2	2	モード2としてプログラムしたキーシーケンスを送出する
3	3	元々のテンキーのコードを送出する

モード1/2は、例えば、「Windows」用と「Mac」用とか、「プライベートPC」用と「会社PC」用とかの使い分けを想定した。

独自キーボードのプログラム

プログラムロジックは以下の通り。
変数modeで現在のモードを保持する。モードはプログラム上は0-Indexで管理するため、初期値をモード3を意味する2とする。
関数テーブルを使用することで、プログラムコードをスッキリさせる。

#include <Keypad.h>
#include <Keyboard.h>
#include "funcs.hpp"

//digital pins
#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 PIN_SDA  (2)
#define PIN_SCL  (3)
#define PIN_SCK (15)

#define LED_GREEN PIN_SCK

const byte ROWS = 6; // 6 rows
const byte COLS = 4; // 4 columns
int mode; //0〜2

// Define the Keymap
byte keys[ROWS][COLS] = {
  { 0,  2,  0,  9},
  {14, 15, 20, 16},
  { 6,  7, 13,  8},
  {10, 11, 18, 12},
  { 0, 17,  0, 19},
  { 1,  3,  5,  4},
};

typedef void(* FP_Func)();
#define DummyFunc (FP_Func)0

//functions table
FP_Func funcs[3][21] = {
  { //mode1
    DummyFunc, 
    DummyFunc, funcM1F2,  funcM1F3,  funcM1F4,  funcM1F5,  
    funcM1F6,  funcM1F7,  funcM1F8,  funcM1F9,  funcM1F10,  
    funcM1F11, funcM1F12, funcM1F13, funcM1F14, funcM1F15,  
    funcM1F16, funcM1F17, funcM1F18, funcM1F19, funcM1F20,  
  },
  { //mode2,
    DummyFunc, 
    DummyFunc, funcM2F2,  funcM2F3,  funcM2F4,  funcM2F5,  
    funcM2F6,  funcM2F7,  funcM2F8,  funcM2F9,  funcM2F10,  
    funcM2F11, funcM2F12, funcM2F13, funcM2F14, funcM2F15,  
    funcM2F16, funcM2F17, funcM2F18, funcM2F19, funcM2F20,  
  },
  { //mode3,
    DummyFunc, 
    DummyFunc, funcM3F2,  funcM3F3,  funcM3F4,  funcM3F5,  
    funcM3F6,  funcM3F7,  funcM3F8,  funcM3F9,  funcM3F10,  
    funcM3F11, funcM3F12, funcM3F13, funcM3F14, funcM3F15,  
    funcM3F16, funcM3F17, funcM3F18, funcM3F19, funcM3F20,  
  },
};

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

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

void setup() {
  pinMode(LED_GREEN, OUTPUT);
  Keyboard.begin();
  mode = 2; // mode3
}

void loop() {
  char key = keypad.getKey();
  if (key) {
    if (key == 1) {
      ++mode %= 3; //mode change
      ledSign(mode + 1);      
    } else {
      (funcs[mode][key])(); //call each function via functions table
      ledSign(1);
    }
  }
  delay(10);
}

void ledSign(int cnt) {
  for (int n = 0; n < cnt; n++) {
    digitalWrite(LED_GREEN, HIGH);
    delay(80);
    digitalWrite(LED_GREEN, LOW);
    delay(30);
  }
}

分かりやすいように、関数テーブルの添字はテンキーのキーの並び順としてある。

funcs.hpp

#pragma once
//mode1
void funcM1F2() { /* 省略 */ };
void funcM1F3() { /* 省略 */ };
void funcM1F4() { /* 省略 */ };
void funcM1F5() { /* 省略 */ };
void funcM1F6() { /* 省略 */ };
void funcM1F7() { /* 省略 */ };
void funcM1F8() { /* 省略 */ };
void funcM1F9() { /* 省略 */ };
void funcM1F10() { /* 省略 */ };
void funcM1F11() { /* 省略 */ };
void funcM1F12() { /* 省略 */ };
void funcM1F13() { /* 省略 */ };
void funcM1F14() { /* 省略 */ };
void funcM1F15() { /* 省略 */ };
void funcM1F16() { /* 省略 */ };
void funcM1F17() { /* 省略 */ };
void funcM1F18() { /* 省略 */ };
void funcM1F19() { /* 省略 */ };
void funcM1F20() { /* 省略 */ };

//mode2
void funcM2F2() { /* 省略 */ };
void funcM2F3() { /* 省略 */ };
void funcM2F4() { /* 省略 */ };
void funcM2F5() { /* 省略 */ };
void funcM2F6() { /* 省略 */ };
void funcM2F7() { /* 省略 */ };
void funcM2F8() { /* 省略 */ };
void funcM2F9() { /* 省略 */ };
void funcM2F10() { /* 省略 */ };
void funcM2F11() { /* 省略 */ };
void funcM2F12() { /* 省略 */ };
void funcM2F13() { /* 省略 */ };
void funcM2F14() { /* 省略 */ };
void funcM2F15() { /* 省略 */ };
void funcM2F16() { /* 省略 */ };
void funcM2F17() { /* 省略 */ };
void funcM2F18() { /* 省略 */ };
void funcM2F19() { /* 省略 */ };
void funcM2F20() { /* 省略 */ };

//mode3  : original tenkey mode
void funcM3F2() { Keyboard.write(KEY_PAD_EQUALS); };
void funcM3F3() { Keyboard.write(KEYPAD_DIVIDE); };
void funcM3F4() { Keyboard.write(KEYPAD_MULTIPLY); };
void funcM3F5() { Keyboard.write(KEY_BACKSPACE); };
void funcM3F6() { Keyboard.write(KEYPAD_7); };
void funcM3F7() { Keyboard.write(KEYPAD_8); };
void funcM3F8() { Keyboard.write(KEYPAD_9); };
void funcM3F9() { Keyboard.write(KEYPAD_SUBTRACT); };
void funcM3F10() { Keyboard.write(KEYPAD_4); };
void funcM3F11() { Keyboard.write(KEYPAD_5); };
void funcM3F12() { Keyboard.write(KEYPAD_6); };
void funcM3F13() { Keyboard.write(KEYPAD_ADD); };
void funcM3F14() { Keyboard.write(KEYPAD_1); };
void funcM3F15() { Keyboard.write(KEYPAD_2); };
void funcM3F16() { Keyboard.write(KEYPAD_3); };
void funcM3F17() { Keyboard.write(KEYPAD_0); };
void funcM3F18() { Keyboard.print("000"); };
void funcM3F19() { Keyboard.write(KEYPAD_DOT); };
void funcM3F20() { Keyboard.write(KEY_ENTER); };

当然ながら、プログラム次第なので、もっとモードを増やすことも可能である。この辺は使ってみて様子を見ながら後で考えるとする。
以上で目的を達成できたので、この記事を閉じる。

興味のある方の参考になれば幸いである。以上

備忘録

久しぶりに、Arduino IDEで書き込みを行ったところ、エラーとなってうまくできない。色々試していたところ、次の事実が分かった。

書き込み装置に、AVR ISPを指定しなければならない。

忘れてしまった時のために、備忘録として追加しておく。
2023.12.28追加