Diseño de matrices para teclados de silicona: número de pines, ghosting y entrada multitecla

La matriz de un teclado de silicona debe definirse como parte de la interfaz eléctrica, no como una propiedad del propio caucho de silicona. El teclado moldeado aporta las teclas móviles y los contactos conductores; la matriz de filas y columnas, la asignación de pines del conector, la red de polarización pull-up/pull-down, el método de barrido, los umbrales lógicos y el comportamiento multitecla corresponden al diseño del circuito y del controlador.

En una matriz de R filas y C columnas, el teclado puede ofrecer hasta R × C posiciones de conmutación utilizando R + C líneas de señal de matriz. Esta reducción de pines resulta útil, pero conlleva una responsabilidad de diseño: el equipo OEM debe decidir qué combinaciones de teclas son válidas, cuáles pueden ignorarse y si alguna combinación requerida puede resultar eléctricamente ambigua antes de aprobar para fabricación la PCB, el FPC, el conector o la asignación de pines de la placa anfitriona.

Por tanto, una revisión útil de la matriz comienza por la lista de combinaciones de teclas aprobadas, no por el menor número posible de pines.

1. Definir los casos de uso de una y varias teclas antes de elegir la matriz

Empiece por clasificar las entradas de usuario previstas.

Una matriz resulta atractiva porque reduce el número de conductores. La matriz utiliza un conductor por fila y otro por columna; cada tecla pulsada conecta su fila y su columna. Por tanto, una matriz de 3 × 3 representa nueve intersecciones con seis líneas de fila y columna; una matriz de 4 × 4 representa dieciséis intersecciones con ocho líneas.

Este cálculo no demuestra que la matriz admita todas las combinaciones multitecla. La eficiencia en el uso de pines y la capacidad de reconocer varias teclas simultáneas, o rollover, son requisitos distintos.

Si el producto solo tiene unas pocas teclas críticas y la detección simultánea es obligatoria, las entradas GPIO directas u otra arquitectura con capacidad multitecla explícita pueden ser más adecuadas que encajar todas las teclas en la matriz más pequeña posible.

2. Representar las filas, las columnas y los pines del conector en el plano

El plano aprobado para fabricación debe mostrar conjuntamente el mapa eléctrico de teclas y el mapa del conector. No deje que los nombres de filas y columnas queden sujetos a la interpretación del firmware una vez fabricado el utillaje.

Matriz ilustrativa de 3 × 3

El siguiente ejemplo es únicamente ilustrativo. No representa un diseño de un cliente de JASPER ni un circuito de producción ensayado.

                 C0             C1             C2
                 |              |              |
R0 ----------- [K00] -------- [K01] -------- [K02]
                 |              |              |
R1 ----------- [K10] -------- [K11] -------- [K12]
                 |              |              |
R2 ----------- [K20] -------- [K21] -------- [K22]

Para este ejemplo, defina el lado del controlador del siguiente modo:

• R0, R1, R2: entradas de detección con pull-up.
• C0, C1, C2: salidas de barrido.
• Se fuerza una columna a nivel bajo durante su ventana de barrido.
• Las demás columnas se sitúan en el estado inactivo aprobado para el controlador, normalmente de alta impedancia en un barrido sencillo activo a nivel bajo.
• Una tecla cerrada conecta su fila con la columna que se está explorando.

Por tanto, un conector ilustrativo de seis pines podría ser el siguiente:

La alimentación de LED, el control de LED, el blindaje, la masa, las estructuras ESD u otros circuitos no forman parte de las seis señales de matriz, salvo que el esquema aprobado lo establezca expresamente.

El conjunto de planos también debe indicar la orientación del conector, la vista desde la que se numeran los pines, los nombres de las redes, los pines NC, los retornos compartidos y quién es responsable del controlador. El proveedor del teclado no debería tener que deducir si «R1» significa la fila física superior, el nombre de un puerto del MCU o una posición del conector.

3. Definir el estado de barrido, las líneas flotantes y el margen lógico

Una matriz solo funciona cuando los estados de barrido están definidos sin ambigüedad.

Un barrido básico excita un eje y lee el otro mediante entradas con pull-up. Por ejemplo, las filas pueden usar pull-up mientras las columnas se recorren forzando una sola a nivel bajo cada vez. La polaridad concreta puede invertirse en otro diseño, pero el plano y el firmware deben coincidir.

Para cada fila y columna, defina:

• el estado de entrada o salida durante el reposo;
• el nivel de barrido activo;
• el estado de las líneas inactivas;
• el origen del pull-up o pull-down y su tolerancia;
• los umbrales de entrada de nivel alto y bajo;
• los límites de salida de nivel bajo y alto;
• la resistencia del cable, del conector y del contacto incluida en el recorrido;
• las fugas y la capacitancia parásita;
• el período de barrido y el tiempo de precarga o de establecimiento;
• el filtrado antirrebote y la lógica de liberación de teclas.

No suponga que una línea de barrido inactiva siempre puede forzarse al nivel lógico opuesto. Cuando se mantienen varias teclas pulsadas, los interruptores cerrados pueden conectar entre sí las líneas de la matriz. El diseño del controlador debe evitar conflictos no controlados entre salidas o incorporar un método aprobado de protección o limitación de corriente.

El margen respecto a los umbrales de entrada también es importante. Una pastilla de carbono, un contacto de PCB, un conector y una pista forman un recorrido cerrado real, no un interruptor ideal de cero ohmios. Por ello, la guía de JASPER sobre pastillas de carbono trata el contacto cerrado como parte del circuito de entrada completo y recomienda definir la red de polarización, los umbrales, el estado de las líneas inactivas, la frecuencia de barrido y el comportamiento de establecimiento, en lugar de aprobar el contacto de caucho de forma aislada.

La constante de tiempo RC de filas y columnas afecta al muestreo; el ADP5586, por ejemplo, ofrece un tiempo de precarga configurable. Es un recordatorio útil para conexiones flexibles largas, redes de polarización de mayor resistencia, multiplexores externos, componentes ESD o líneas con alta capacitancia: tome la muestra cuando el nodo eléctrico haya tenido tiempo de estabilizarse, no simplemente después de que el firmware cambie un registro GPIO.

4. Identificar las combinaciones de teclas ambiguas antes de aprobar la PCB para fabricación

El ghosting, o detección de teclas fantasma, es un problema de topología de la matriz. No es lo mismo que el rebote de los contactos.

El ghosting presenta un patrón característico: con determinadas combinaciones de tres teclas en una matriz de filas y columnas, el recorrido eléctrico puede hacer que una cuarta tecla no pulsada aparezca como activa.

Utilizando el mismo ejemplo de 3 × 3, suponga que se pulsan físicamente estas tres teclas:

• K00 = R0/C0
• K01 = R0/C1
• K10 = R1/C0

Ahora explore C1 a nivel bajo, mientras C0 permanece inactiva.

C1 A NIVEL BAJO
  |
 K01  (pulsada)
  |
 R0
  |
 K00  (pulsada)
  |
 C0   (recorrido inactivo)
  |
 K10  (pulsada)
  |
 R1

R1 puede llevarse hacia el estado activo a través de los tres interruptores cerrados. Por tanto, el circuito de barrido puede interpretar que K11 (R1/C1) también está cerrada, aunque el usuario no la haya pulsado.

Esa es la cuarta esquina fantasma.

Que un controlador concreto notifique, suprima o señale esta condición depende de su arquitectura de barrido y de su firmware, pero la ambigüedad básica debe revisarse antes de aprobar el trazado. Las combinaciones en ángulo recto pueden provocar ghosting. Distribuya las teclas que probablemente se pulsen juntas de modo que no formen ese patrón.

El filtrado antirrebote no lo resuelve. Este filtrado elimina las transiciones breves de un evento de contacto real. El ghosting puede generar un estado estable pero eléctricamente ambiguo.

5. Revisar las medidas de mitigación en el controlador y en el circuito

No existe una única medida de mitigación válida para todos los productos OEM.

Reasignar la matriz

Si se conocen las combinaciones de teclas requeridas, distribuya las teclas de forma que esas combinaciones no formen rectángulos ambiguos. En ocasiones, las teclas que suelen utilizarse juntas pueden situarse en una misma fila o columna, o distribuirse de otra forma para que las combinaciones aprobadas no creen el recorrido fantasma.

A menudo es la solución que requiere menos componentes, pero solo si el mapa de teclas se fija y se prueba.

Utilizar más pines cuando sea necesario

Una matriz más grande y con menos posiciones ocupadas puede separar las combinaciones críticas. Para un número reducido de teclas críticas para la seguridad o teclas modificadoras, unas entradas dedicadas pueden ser una solución más clara que ahorrar uno o dos pines del conector.

Utilizar la gestión de ghosting admitida por el controlador

Algunos controladores de teclado pueden detectar estados multitecla sospechosos y suprimirlos o señalarlos. Esto puede evitar un comando falso, pero no permite al producto saber automáticamente qué teclas físicas se pulsaron realmente. Confirme si el requisito es «no emitir un comando fantasma» o «identificar todas las teclas simultáneas».

Añadir una arquitectura de aislamiento validada

Si es obligatoria la detección independiente de varias teclas, el circuito puede necesitar aislamiento por tecla u otra arquitectura diseñada para admitir rollover. Todos los componentes de aislamiento deben figurar en el esquema de la PCB o del FPC y validarse teniendo en cuenta el sentido de barrido, la caída de tensión, los umbrales de entrada, las fugas, la red ESD y el espacio de montaje disponible. No añada un componente de aislamiento en una fase tardía dando por supuesto que los umbrales originales conservarán el mismo margen.

Cambiar de arquitectura

Con un número limitado de teclas, las entradas GPIO directas pueden eliminar la ambigüedad de la matriz. En interfaces más grandes, un circuito de barrido de teclado dedicado o un expansor de E/S puede reducir el número de pines requeridos en el procesador anfitrión y mantener el comportamiento de barrido dentro de una función definida del controlador. Aun así, el componente elegido debe cumplir el requisito aprobado de teclas simultáneas.

6. Probar la lista de combinaciones de teclas aprobadas

La continuidad de una sola tecla no es suficiente para un teclado con funciones multitecla.

El plan de validación debe comprobar las combinaciones exactas aprobadas, tanto en las secuencias de pulsación como en las de liberación. Incluya el teclado, el circuito, el conector, la configuración de las entradas del equipo anfitrión y el soporte de la carcasa previstos para producción.

Utilice una tabla de control como la siguiente:

Pruebe también las combinaciones que no están permitidas. El comportamiento requerido del producto podría ser «ignorar la última tecla pulsada», «notificar un error», «mantener las dos primeras teclas» o «no realizar ninguna acción». Esa decisión debe figurar en los requisitos del producto, no quedar como una suposición no documentada del firmware.

Cuando la temporización sea importante, registre conjuntamente la línea explorada, la línea de detección, la tensión de entrada y el evento de tecla decodificado. Esto permite distinguir entre rebote de contacto, establecimiento lento, margen respecto al umbral y ghosting real.

7. Fijar conjuntamente el mapa de teclas, la asignación de pines y el alcance de responsabilidades

Antes de aprobar para fabricación el plano del teclado, el trazado de la PCB o el conector, apruebe estos elementos como un único conjunto:

1. tabla de identificadores y funciones de teclas;
2. combinaciones requeridas de una y varias teclas;
3. asignación de filas y columnas;
4. asignación de pines y orientación del conector;
5. tabla de estados de entrada y salida del lado del controlador;
6. pull-up/pull-down y umbrales lógicos;
7. temporización del barrido y del establecimiento;
8. estrategia de gestión de ghosting o de aislamiento;
9. reglas de filtrado antirrebote y liberación;
10. tabla de validación multitecla y comportamiento aceptable;
11. alcance del suministro: solo teclado de caucho, teclado + circuito o conjunto ensayado.

Para la propia interfaz conductora, consulte la página de JASPER sobre teclados de caucho conductor y la guía de resistencia de las pastillas de carbono. Si el proyecto requiere controlar el teclado de caucho, el circuito, el conector y las pruebas funcionales como un único módulo, la opción de conjuntos de teclado de silicona corresponde mejor al alcance de suministro necesario.

La idea principal es sencilla: no apruebe el molde de silicona dejando para más adelante la decisión sobre filas y columnas. La asignación de la matriz puede modificar el número de conectores, el trazado del circuito, el firmware del controlador y el comportamiento de los comandos multitecla requeridos.

Preguntas frecuentes

Revise sus requisitos de contacto y circuito

Utilice la opción solicitar una revisión de ingeniería del teclado para enviar la distribución de teclas, el plano de los contactos conductores, la propuesta de filas y columnas, el esquema del equipo anfitrión, la asignación de pines del conector, las combinaciones multitecla requeridas, los umbrales de entrada, los requisitos de barrido y filtrado antirrebote, el alcance del montaje, la cantidad anual o del proyecto, el uso del equipo y las expectativas de validación.

Los aspectos aún no definitivos pueden marcarse como TBD (pendientes de definir). Lo importante es hacer visibles las decisiones abiertas antes de fabricar el utillaje y aprobar la PCB para fabricación, en lugar de ocultarlas dentro de una nota genérica de «teclado matricial».