#第六届立创电赛#ESP32 一对多无线键盘鼠标扩展器 - 立创电子设计大赛

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第六届立创电子设计开源大赛

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<div class="document"> 注：* 为必填项 请在报名阶段填写 ↓ <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">* 1、项目功能介绍</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> 很多时候出于空间和便捷性考虑，我们希望一套键盘鼠标来控制多个PC。通常情况下可以通过 KVM实现这个功能。显而易见，他们使用有线方式来进行连接，仍然会占用大量空间。这次使用 ESP32来实现无线的键盘鼠标扩展功能。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/nYQEWR7lQGKYo1bMPUOSB1UxjxmYdG1JiiqMgiSx.jpeg" alt="" width="790" height="1039"> <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">*2、项目属性</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> 原创项目首次公开 <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">* 3、开源协议</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> GPL3.0开源协议 请在竞赛阶段填写 ↓ <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">*4、硬件部分</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> 为了完成这个目标，选择眼下最流行的 Arduino 开发环境，配合ESP32 来实现。这次使用到了 ESP32 和 ESP32 S2两种型号的主控芯片。 首先要实现解析USB键盘鼠标的功能，通常情况下可以使用 Arduino USB Host Shield，但是因为我们需要同时解析USB键盘和鼠标，这样的方案会显得比较麻烦，另外一个原因是这个Shield的主要芯片是 Max3421e 现在价格较高（立创商城报价人民币42-65元）。因此，选择了CH9350（这是一颗国产芯片，是南京沁恒WCH出品的，现在非常流行的 USB转串口芯片CH340 也是他们家的产品）。CH9350能够将 USB 键盘鼠标的有效信息转为串口数据。芯片特点如下： • 支持12Mbps全速USB传输和1.5Mbps低速USB传输，兼容USB V2.0。 • 上位机端USB端口符合标准HID类协议，不需要额外安装驱动程序，支持内置HID类设备驱动的Windows、Linux、MAC等操作系统。 • 同一芯片可配置为上位机模式和下位机模式，分别连接USB-Host主机和USB键盘、鼠标。 • 支持USB键盘鼠标在BIOS界面使用，支持多媒体功能键，支持不同分辨率USB鼠标。 • 支持各种品牌的USB键盘鼠标、USB无线键盘鼠标、USB转PS2线等。 • 上位机端和下位机端支持热插拔。 • 提供发送状态引脚，支持485通讯。 • 串口支持115200/57600/38400串口通信波特率。 • 内置晶振和上电复位电路，外围电路简单。 • 支持5V、3.3V电源电压。 • 提供LQFP-48无铅封装，兼容RoHS。 同时这个款芯片立创商城报价是 25元，比Max3421便宜一大截。 然后围绕这个芯片，给DFRobot 的 FireBeetle 主控板（芯片是ESP32D32）设计一个转接板，能够将USB 键盘鼠标信号解析为串口数据。 核心是 CH9350芯片，它能够一次性支持2个 USB Host接口，下图中的 USB1 和 USB2。LED1 和 LED2 是通讯指示灯，对应的 USB1 和 USB2 如果有正常的通讯，对应的 LED会熄灭。此外，还有一个USB_Power 是USB公头，用于从外部取电，避免 FireBeetle 供电不足的情况。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/ZvZbJffd5PYutWL8MAc4dDXAy8N30RJQMXDfWwnE.png" alt="" width="1457" height="873"> PCB 设计如下： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/9vfBGYZAbUtXFqJZjh3XQVsHtGOdhnPhZkFiAJ06.png" alt="" width="450" height="732"> 3D 预览如下： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/3K1Guno6xdIuG4SR1H78ZK7pnX1Fqphl5RKqbwCK.png" alt=""> 做出来就是这样（美中不足的因为2个USB 母头的存在，这个板子稍微大一些。另外，这个芯片引脚比较密集，焊接费了一些功夫，如果你对自己焊接技术不放心，推荐直接 SMT 避免手工焊接）： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/DxqmgRhNaZYwLVmyGG6aJQTrg8nUCh3wJRORozMI.png" alt="" width="1025" height="662"> 接下来我们还需要设计和用户交互的部分，这一部分电路比较简单，有四个按钮，用于选择当前工作的接收器，另外有四个指示灯用于指示当前的工作接收器。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/vapxSPbmTlPilYuk3YrIIUeZdQORyq1G8M076HFq.png" alt=""> PCB设计如下，比较有意思的是：LED 是反贴（发光部分朝向PCB方向）在PCB背面的，然后这里使用了阻焊层，这样光线能够透过PCB照亮正面的字迹。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/8ESfGNPp0spDK53ZNyyLGZHsib7bdZtbVoJa3Cq9.png" alt="" width="1072" height="680"> 很遗憾 3D 预览无法展现这种效果 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/RdGEMNKCsSVeYCxEDB0bQ0KDLuxX5KPQV4vfnMYe.png" alt="" width="1200" height="767"> 实物拍摄： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/sz3RZvkH3a8XLpvCx7dQnDc2QfuDkmcPH43G9afV.jpeg" alt="" width="1094" height="820"> 于是我们有了三个卡：FireBeetle，USB 键盘鼠标Shield和上面的用户交互界面卡。将三个插接在一起即可正常工作。上述就是发送端。 我们同样使用 ESP32 作为接收端，只是这里必须使用 ESP32 S2 主控，因为这款支持 USB Device ，可以方便的实现一个 USB 设备。你可以使用下面这种直接引出 USB Device的 ESP32 S2 开发板（上面一个是 CH340 下载端口，一个是 USB Device 端口）： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/A53rDfwKG9I7UihGNmZPPj6QySTp7uXrVGSPBksb.jpeg" alt="" width="800" height="800"> 除此之外，还可以直接购买ESP32 S2模块自己设计引出 USB Device 引脚。 <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">*5、软件部分</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> 同样的，软件也有2个，一个是键盘鼠标信息发送端，另外一个是数据接收端，还要负责模拟键盘鼠标设备。 前面提到了我们使用 CH9350进行键盘鼠标数据的解析，具体数据格式在 Data Sheet 上有描述： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/VAcxuub2RrhpMhmSf71n0OeIZDOYFie0FCp9FLfX.png" alt="" width="1500" height="683"> 解析后的数据会出现在 FireBeetle 的 Serial2 上。 首先解说发送端的关键代码： 1.初始化时，使用下面的代码对于 CH9350 发送数据，这样 Ch9350只会发送有效的信息（就是说鼠标键盘有动作才会有数据出来）。 char SwitchToMode1[] = {0x57, 0xAB, 0x12, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0xFF, 0x80, 0x00, 0x20}; for (int i = 0; i < sizeof(SwitchToMode1); i++) { Serial2.write(SwitchToMode1[i]); } 2.ESP32 自带了一个称作 ESP-NOW 的功能，只需要简单的代码就能让两块 ESP32 轻松实现无线互联。 // 初始化 ESP-NOW WiFi.mode(WIFI_STA); if (esp_now_init() != ESP_OK) { Serial.println("Error initializing ESP-NOW"); return; } // 设置发送数据回调函数 //esp_now_register_send_cb(OnDataSent); // 绑定数据接收端，这里需要首先知道接收端的MAC,在文件开始处，使用下面的代码来给定 MAC // 接收设备的 MAC 地址 // 红色 PCB 7C:DF:A1:06:70:EC // 双TypeC 开发板 7C:DF:A1:06:5D:18 // 双TypeC 开发板 7C:DF:A1:06:77:C0 // 大绿色开发板 7C:DF:A1:06:70:A4 uint8_t Receiver1[] = {0x7C, 0xDF, 0xA1, 0x06, 0x70, 0xEC}; uint8_t Receiver2[] = {0x7C, 0xDF, 0xA1, 0x06, 0x5D, 0x18}; uint8_t Receiver3[] = {0x7C, 0xDF, 0xA1, 0x06, 0x70, 0xA4}; uint8_t Receiver4[] = {0x7C, 0xDF, 0xA1, 0x06, 0x77, 0xC0}; // 接下来绑定接收端的MAC esp_now_peer_info_t peerInfo; memcpy(peerInfo.peer_addr, Receiver1, 6); peerInfo.channel = 0; peerInfo.encrypt = false; 3.使用 CurrentDevice 变量来记录当前接收端的动作（一些时候我们不会希望在多台机器上进行相同的键盘鼠标动作） if (digitalRead(BUTTON1) == LOW) { delay(100); if (digitalRead(BUTTON1) == LOW) { if ((CurrentDevice & BIT0) == 0) { CurrentDevice |= BIT0; } else { CurrentDevice &= (~BIT0); } } } 同样的，根据当前的CurrentDevice值设定LED if (CurrentDevice != CurrentDeviceLast) { digitalWrite(LED1, (CurrentDevice & BIT0 ? 1 : 0)); digitalWrite(LED2, (CurrentDevice & BIT1 ? 1 : 0)); digitalWrite(LED3, (CurrentDevice & BIT2 ? 1 : 0)); digitalWrite(LED4, (CurrentDevice & BIT3 ? 1 : 0)); CurrentDeviceLast = CurrentDevice; Serial.println(CurrentDevice, HEX); } 4.接收USB键盘鼠标的动作之后，根据前面的CurrentDevice状态，发送给不同的接收端，只需要esp_now_send（）函数即可将数据送出： if ((CurrentDevice & BIT0) != 0) { // 发送数据 result = esp_now_send(Receiver1, Data, Counter); // 检查数据是否发送成功 if (result == ESP_OK) { // Serial.println("Sent success Receiver1"); } else { // Serial.println("Error sending the data to Receiver1"); } } 上述就是发送端的关键代码，有兴趣的朋友可以直接阅读完整的代码实现。特别注意，因为我使用 DFRobot 的 FireBeetle, 所以编译时需要安装对应的 FireBeetle 支持包。 接下来介绍接收端的代码，相比发送，接收端要简单很多。同样只挑出来关键部分进行解说： 1. 无线接收的 ESP-NOW代码同样很简单，初始化之后注册回调函数即可，当收到无线信号后会自动进入esp_now_register_recv_cb（）给定的函数中进行处理 // 初始化 ESP-NOW WiFi.mode(WIFI_STA); if (esp_now_init() != 0) { Serial.println("Error initializing ESP-NOW"); return; } // 设置接收数据回调函数 esp_now_register_recv_cb(OnDataRecv); 2. 收到数据后的处理代码中会使用verifyData（）函数对接收到的数据进行校验，之后再根据数据类型使用device.directMS() 和device.directKB分别处理 // 数据接收回调函数 void OnDataRecv(const uint8_t * mac, const uint8_t *incomingData, int len) { char *Starter = (char*)incomingData; if (len>72) {return;} while (Starter < (char *)(incomingData+len)) { if (verifyData((char*)Starter, Starter[3]+4)) { for (int i = 0; i < Starter[3]+4; i++) { Serial.print(Starter[i], HEX); Serial.print(" "); } Serial.println(" "); // 如果是鼠标 if (((Starter[4] >> 4) & 0x3) == 0x2) { device.directMS((char *)&Starter[5]); } //如果是键盘 if ((((Starter[4] >> 4) & 0x3) == 0x3)||(((Starter[4] >> 4) & 0x3) == 0x1)) { device.directKB((char *)&Starter[5]); } } Starter=&Starter[Starter[3]+4]; }//while (Start < (incomingDatalen)) } 3. 为了模拟USB键盘鼠标，我使用了 TinyUSB 库，这个库中自带一个KB MS复合设备的代码（hidcomposite.cpp），美中不足的是代码没有支持RAW 格式发送鼠标键盘数据。为此，在代码中添加如下函数支持这个功能，即将收到的数据原封不动的发送为鼠标或者键盘的动作： //LABZ_Debug_Start void HIDcomposite::directKB(char *data) { uint8_t keycode[6]={data[2],data[3],data[4],data[5],data[6],data[7]}; if (tud_hid_ready()) { // KEYBOARD: convenient helper to send keyboard report if application // use template layout report as defined by hid_keyboard_report_t tud_hid_keyboard_report(report_keyboard,data[0], keycode); } } //LABZ_Debug_End //LABZ_Debug_Start void HIDcomposite::directMS(char *data) { if (tud_hid_ready()) { // uint8_t report_id, uint8_t buttons, int8_t x, int8_t y, int8_t vertical, int8_t horizontal tud_hid_mouse_report(report_mouse, data[0], data[1], data[2], data[3], 0); } } //LABZ_Debug_End <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;"> </h3> <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;"> </h3> <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">*6、BOM清单</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> 用户界面板 <table width="640"> <tr> <td width="64"> ID </td> <td width="64"> Name </td> <td width="64"> Designator </td> <td width="64"> Footprint </td> <td width="64"> Quantity </td> <td width="64"> Manufacturer Part </td> <td width="64"> Manufacturer </td> <td width="64"> Supplier </td> <td width="64"> Supplier Part </td> <td width="64"> Price </td> </tr> <tr> <td> 1 </td> <td> KT-1206Red LED </td> <td> LED1,LED2,LED3,LED4 </td> <td> LED1206-R-RD </td> <td> 4 </td> <td> KT-1206Red LED </td> <td> KENTO </td> <td> LCSC </td> <td> C49018 </td> <td> 0.0738 </td> </tr> <tr> <td> 2 </td> <td> 10K </td> <td> R1,R2 </td> <td> R1206 </td> <td> 2 </td> <td> CR1206F10K7P05 </td> <td> Ever Ohms Tech </td> <td> LCSC </td> <td> C245447 </td> <td> 0.0391 </td> </tr> <tr> <td> 3 </td> <td> FireBeelte ESP32 </td> <td> U1 </td> <td> DFROBOT FIREBEETLE </td> <td> 1 </td> <td> </td> <td> </td> <td> DFRobot </td> <td> </td> <td> </td> </tr> <tr> <td> 4 </td> <td> 10K </td> <td> R3,R4 </td> <td> R1206 </td> <td> 2 </td> <td> CR1206F10K7P05 </td> <td> Ever Ohms Tech </td> <td> LCSC </td> <td> C245447 </td> <td> 0.0391 </td> </tr> <tr> <td> 5 </td> <td> 1TS005A-2700-5001 </td> <td> DEV1,DEV2,DEV3,DEV4 </td> <td> SW-TH_4P-L6.0-W6.0-P4.50-LS6.5 </td> <td> 4 </td> <td> 1TS005A-2700-5001 </td> <td> HYP </td> <td> LCSC </td> <td> C319408 </td> <td> 0.161 </td> </tr> </table> CH9350 Shield <table width="1071"> <tr> <td width="64"> ID </td> <td width="102"> Name </td> <td width="76"> Designator </td> <td width="213"> Footprint </td> <td width="64"> Quantity </td> <td width="146"> Manufacturer Part </td> <td width="214"> Manufacturer </td> <td width="64"> Supplier </td> <td width="64"> Supplier Part </td> <td width="64"> Price </td> </tr> <tr> <td width="64"> 1 </td> <td width="102"> 3.3uf </td> <td width="76"> C2 </td> <td width="213"> C1206 </td> <td width="64"> 1 </td> <td width="146"> TCC1206X7R561K501DT </td> <td width="214"> CCTC </td> <td width="64"> LCSC </td> <td width="64"> C377112 </td> <td width="64"> 0.1299 </td> </tr> <tr> <td width="64"> 2 </td> <td width="102"> 0.1uf </td> <td width="76"> C3 </td> <td width="213"> C1206 </td> <td width="64"> 1 </td> <td width="146"> TCC1206X7R561K501DT </td> <td width="214"> CCTC </td> <td width="64"> LCSC </td> <td width="64"> C377112 </td> <td width="64"> 0.1299 </td> </tr> <tr> <td width="64"> 3 </td> <td width="102"> 100uf </td> <td width="76"> C5,C4 </td> <td width="213"> C1206 </td> <td width="64"> 2 </td> <td width="146"> TCC1206X7R561K501DT </td> <td width="214"> CCTC </td> <td width="64"> LCSC </td> <td width="64"> C377112 </td> <td width="64"> 0.1299 </td> </tr> <tr> <td width="64"> 4 </td> <td width="102"> 2.54mm 1*2P </td> <td width="76"> DPOWER1 </td> <td width="213"> HDR-TH_2P-P2.54-V-M </td> <td width="64"> 1 </td> <td width="146"> 2.54mm 1*2P </td> <td width="214"> ReliaPro </td> <td width="64"> LCSC </td> <td width="64"> C36717 </td> <td width="64"> 0.0372 </td> </tr> <tr> <td width="64"> 5 </td> <td width="102"> 短接电阻 </td> <td width="76"> JP2 </td> <td width="213"> 短接焊盘 </td> <td width="64"> 1 </td> <td width="146"> </td> <td width="214"> </td> <td colspan="2" width="128"> TTOOAADD </td> <td width="64"> </td> </tr> <tr> <td width="64"> 6 </td> <td width="102"> LED </td> <td width="76"> LED2,LED1 </td> <td width="213"> LED1206-R-RD </td> <td width="64"> 2 </td> <td width="146"> KT-1206Red LED </td> <td width="214"> KENTO </td> <td width="64"> LCSC </td> <td width="64"> C49018 </td> <td width="64"> 0.0738 </td> </tr> <tr> <td width="64"> 7 </td> <td width="102"> 1K </td> <td width="76"> R3,R4 </td> <td width="213"> R1206 </td> <td width="64"> 2 </td> <td width="146"> R1206RXX102XJ04LTC </td> <td width="214"> Shenzhen Eyang Tech Development </td> <td width="64"> LCSC </td> <td width="64"> C267247 </td> <td width="64"> 0.0201 </td> </tr> <tr> <td width="64"> 8 </td> <td width="102"> CH9350L </td> <td width="76"> U1 </td> <td width="213"> LQFP-48_L7.0-W7.0-P0.50-LS9.0-BL </td> <td width="64"> 1 </td> <td width="146"> CH9350L </td> <td width="214"> WCH </td> <td width="64"> LCSC </td> <td width="64"> C109472 </td> <td width="64"> 25.69 </td> </tr> <tr> <td width="64"> 9 </td> <td width="102"> FireBeelte ESP32 </td> <td width="76"> U2 </td> <td width="213"> DFROBOT FIREBEETLE </td> <td width="64"> 1 </td> <td width="146"> </td> <td width="214"> </td> <td width="64"> DFRobot </td> <td width="64"> </td> <td width="64"> </td> </tr> <tr> <td width="64"> 10 </td> <td width="102"> U2 </td> <td width="76"> USB1,USB2 </td> <td width="213"> USB-A-TH_U-A-24DD-Y-1 </td> <td width="64"> 2 </td> <td width="146"> U-A-24DD-Y-1 </td> <td width="214"> Rectangular Connectors - Contacts </td> <td width="64"> LCSC </td> <td width="64"> C193133 </td> <td width="64"> 0.8234 </td> </tr> <tr> <td width="64"> 11 </td> <td width="102"> USB-212-BCW </td> <td width="76"> USB-POWER </td> <td width="213"> USB-A-SMD_USB-212-BCW </td> <td width="64"> 1 </td> <td width="146"> USB-212-BCW </td> <td width="214"> XUNPU </td> <td width="64"> LCSC </td> <td width="64"> C720521 </td> <td width="64"> 0.4174 </td> </tr> </table> <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">*7、大赛LOGO验证</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/nGox62tQM4Wy6iGy7jlSjyWPcPXssbwGz3vEZAwG.jpeg" alt=""> <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">* 8、演示您的项目并录制成视频上传</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> 视频要求：请横屏拍摄，分辨率不低于1280×720，格式Mp4/Mov，单个视频大小限100M内； 视频标题：立创电赛：{项目名称}-{视频模块名称}；如立创电赛：《自动驾驶》-团队介绍。 更多详情：<a href="/posts/06c94d90c2c447dfbd9ed7339ff4a5b1" target="_blank">https://diy.szlcsc.com/posts/06c94d90c2c447dfbd9ed7339ff4a5b1</a> </div>