Matrixdesign für Silikonschaltmatten: Pinanzahl, Ghosting und Mehrtasteneingabe

Die Matrix einer Silikonschaltmatte sollte als Teil der elektrischen Schnittstelle definiert werden, nicht als Eigenschaft des Silikonkautschuks selbst. Die geformte Schaltmatte stellt die beweglichen Tasten und leitfähigen Kontakte bereit. Die Zeilen-/Spaltenmatrix, die Pinbelegung des Steckverbinders, das Pull-up-/Pull-down-Netzwerk, das Abtastverfahren, die Logikschwellen und das Verhalten bei Mehrtasteneingaben gehören dagegen zum Schaltungs- und Controllerdesign.

Bei einer Matrix mit R Zeilen und C Spalten sind bis zu R × C Schaltpositionen mit R + C Matrixsignalleitungen möglich. Diese Verringerung der Pinanzahl ist nützlich, bringt aber eine Entwicklungsaufgabe mit sich: Das OEM-Team muss festlegen, welche Tastenkombinationen gültig sind, welche ignoriert werden dürfen und ob eine erforderliche Kombination elektrisch mehrdeutig werden kann, bevor PCB, FPC, Steckverbinder oder die Pinbelegung der Host-Platine freigegeben werden.

Eine sinnvolle Matrixprüfung beginnt deshalb mit der freigegebenen Liste der Tastenkombinationen und nicht mit der kleinstmöglichen Pinanzahl.

1. Anwendungsfälle für Einzel- und Mehrtasteneingaben vor der Matrixauswahl festlegen

Klassifizieren Sie zunächst die erwarteten Benutzereingaben.

Eine Matrix ist attraktiv, weil sie die Anzahl der Leiter reduziert. Die Matrix nutzt eine Leitung pro Zeile und Spalte; jede betätigte Taste verbindet ihre Zeile mit ihrer Spalte. Eine 3 × 3-Matrix bildet somit neun Kreuzungspunkte mit sechs Zeilen-/Spaltenleitungen ab; eine 4 × 4-Matrix bildet sechzehn Kreuzungspunkte mit acht Leitungen ab.

Diese Rechnung beweist nicht, dass die Matrix jede Mehrtastenkombination unterstützt. Pin-Effizienz und Rollover-Verhalten sind getrennte Anforderungen.

Wenn das Produkt nur wenige kritische Tasten hat und deren gleichzeitige Erkennung zwingend erforderlich ist, können direkte GPIO-Eingänge oder eine andere ausdrücklich für Mehrtasteneingaben geeignete Architektur sinnvoller sein, als alle Tasten in die kleinstmögliche Matrix zu zwängen.

2. Zeilen, Spalten und Steckverbinderpins in der Zeichnung zuordnen

Die freigegebene Zeichnung sollte die elektrische Tastenzuordnung und die Steckverbinderbelegung gemeinsam zeigen. Überlassen Sie die Bedeutung der Zeilen- und Spaltenbezeichnungen nach dem Werkzeugbau nicht der Interpretation durch die Firmwareentwicklung.

Beispiel einer 3 × 3-Matrix

Das folgende Beispiel dient ausschließlich der Veranschaulichung. Es stellt weder ein Kundendesign von JASPER noch eine geprüfte Serienschaltung dar.

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

Für dieses Beispiel wird die Controllerseite wie folgt definiert:

• R0, R1, R2: Abfrageeingänge mit Pull-ups.
• C0, C1, C2: Abtastausgänge.
• Während ihres Abtastfensters wird eine Spalte auf Low angesteuert.
• Die übrigen Spalten werden in den für den Controller freigegebenen inaktiven Zustand versetzt, bei einer einfachen Low-aktiven Abtastung häufig hochohmig.
• Eine geschlossene Taste verbindet ihre Zeile mit der gerade abgefragten Spalte.

Ein beispielhafter sechspoliger Steckverbinder könnte daher so belegt sein:

LED-Versorgung, LED-Steuerung, Schirm, Masse, ESD-Strukturen oder andere Schaltungen gehören nicht zu diesen sechs Matrixsignalen, sofern der freigegebene Schaltplan dies nicht ausdrücklich vorsieht.

Der Zeichnungssatz sollte außerdem die Steckverbinderausrichtung, die Ansicht für die Pinnummerierung, Netznamen, NC-Pins, gemeinsame Rückleitungen und die Zuständigkeit für den Controller angeben. Ein Schaltmattenlieferant sollte nicht erschließen müssen, ob „R1“ die physisch oberste Zeile, einen MCU-Portnamen oder eine Steckverbinderposition bezeichnet.

3. Abtastzustände, schwebende Leitungen und Logikreserve definieren

Eine Matrix funktioniert nur, wenn die Abtastzustände eindeutig sind.

Eine einfache Abtastung steuert eine Achse an und liest die andere über Eingänge mit Pull-ups. Beispielsweise können die Zeileneingänge Pull-ups nutzen, während nacheinander jeweils eine Spalte auf Low angesteuert wird. Bei einem anderen Design kann die Polarität umgekehrt sein. Zeichnung und Firmware müssen jedoch übereinstimmen.

Definieren Sie für jede Zeile und Spalte:

• den Eingangs- oder Ausgangszustand im Ruhezustand;
• den aktiven Abtastpegel;
• den Zustand inaktiver Leitungen;
• die Quelle und Toleranz von Pull-up oder Pull-down;
• die High-/Low-Eingangsschwellen;
• die Low-/High-Ausgangsgrenzwerte;
• die im Signalpfad enthaltenen Kabel-, Steckverbinder- und Kontaktwiderstände;
• Leckströme und parasitäre Kapazität;
• die Abtastperiode sowie die Vorlade- oder Einschwingzeit;
• die Entprellung und die Logik beim Loslassen einer Taste.

Gehen Sie nicht davon aus, dass eine inaktive Abtastleitung immer auf den entgegengesetzten Logikpegel angesteuert werden darf. Wenn mehrere Tasten gehalten werden, können die geschlossenen Schalter Matrixleitungen miteinander verbinden. Das Controllerdesign muss unkontrollierte Konflikte zwischen gegeneinander treibenden Ausgängen vermeiden oder ein freigegebenes Schutz- beziehungsweise Strombegrenzungsverfahren vorsehen.

Auch die Reserve gegenüber den Eingangsschwellen ist wichtig. Eine Carbon-Kontaktpille, ein PCB-Kontakt, ein Steckverbinder und eine Leiterbahn bilden einen realen geschlossenen Strompfad und keinen idealen Schalter mit null Ohm. Der JASPER-Leitfaden zu Carbon-Kontaktpillen betrachtet den geschlossenen Kontakt daher als Teil der vollständigen Eingangsschaltung. Er empfiehlt, das Pull-Netzwerk, die Schwellen, den Zustand inaktiver Leitungen, die Abtastrate und das Einschwingverhalten festzulegen, statt den Gummikontakt isoliert freizugeben.

Die RC-Zeitkonstante der Zeilen und Spalten beeinflusst die Abtastung; beispielsweise bietet der ADP5586 eine konfigurierbare Vorladezeit. Dies ist ein wichtiger Hinweis bei langen Anschlussfahnen, höherohmigen Pull-Netzwerken, externen Multiplexern, ESD-Bauteilen oder hoher Leitungskapazität: Lesen Sie den Zustand erst ein, wenn der elektrische Knoten ausreichend Zeit zum Einschwingen hatte, und nicht einfach unmittelbar nach einer Änderung des GPIO-Registers durch die Firmware.

4. Mehrdeutige Tastenkombinationen vor der PCB-Freigabe erkennen

Ghosting ist ein Problem der Matrixtopologie. Es unterscheidet sich vom Kontaktprellen.

Ghosting zeigt ein charakteristisches Fehlermuster: Bei bestimmten Kombinationen aus drei Tasten in einer Zeilen-/Spaltenmatrix kann der elektrische Pfad dazu führen, dass eine nicht betätigte vierte Taste als aktiv erscheint.

Angenommen, im selben 3 × 3-Beispiel werden diese drei Tasten physisch betätigt:

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

Tasten Sie nun mit C1 auf Low ab, während C0 inaktiv ist.

C1 AUF LOW
  |
 K01  (betätigt)
  |
 R0
  |
 K00  (betätigt)
  |
 C0   (inaktiver Pfad)
  |
 K10  (betätigt)
  |
 R1

R1 kann über die drei geschlossenen Schalter in Richtung des aktiven Zustands gezogen werden. Die Abtastlogik kann deshalb annehmen, dass auch K11 (R1/C1) geschlossen ist, obwohl der Benutzer diese Taste nicht betätigt hat.

Dies ist die vierte Ecke, die als Phantomtaste erscheint.

Ob ein bestimmter Controller diesen Zustand meldet, unterdrückt oder kennzeichnet, hängt von seiner Abtastarchitektur und Firmware ab. Die grundsätzliche Mehrdeutigkeit muss jedoch vor der Layoutfreigabe geprüft werden. Rechtwinklige Tastenkombinationen können Ghosting verursachen. Ordnen Sie häufig gemeinsam betätigte Tasten so an, dass dieses Muster nicht entsteht.

Entprellung löst dieses Problem nicht. Sie filtert kurze Übergänge eines tatsächlichen Kontaktereignisses. Ghosting kann dagegen einen stabilen, aber elektrisch mehrdeutigen Zustand erzeugen.

5. Gegenmaßnahmen auf Controller- und Schaltungsebene prüfen

Es gibt keine einzelne Gegenmaßnahme, die zu jedem OEM-Produkt passt.

Die Matrix neu zuordnen

Wenn die erforderlichen Tastenkombinationen bekannt sind, ordnen Sie die Tasten so zu, dass diese Kombinationen keine mehrdeutigen Rechtecke bilden. Häufig gemeinsam verwendete Tasten können unter Umständen in derselben Zeile oder Spalte liegen oder anders so angeordnet werden, dass die freigegebenen Kombinationen keinen Ghosting-Pfad erzeugen.

Dies ist häufig die Lösung mit dem geringsten Bauteilaufwand, allerdings nur dann, wenn die Tastenzuordnung verbindlich festgelegt und geprüft wird.

Bei Bedarf mehr Pins verwenden

Eine größere, weniger dicht belegte Matrix kann kritische Kombinationen voneinander trennen. Bei wenigen sicherheitskritischen Tasten oder Modifikatortasten können dedizierte Eingänge die klarere Lösung sein, statt ein oder zwei Steckverbinderpins einzusparen.

Die vom Controller unterstützte Ghosting-Behandlung nutzen

Manche Tastaturcontroller können verdächtige Mehrtastenzustände erkennen und unterdrücken oder kennzeichnen. Dies kann einen falschen Befehl verhindern, teilt dem Produkt aber nicht automatisch mit, welche physischen Tasten tatsächlich betätigt wurden. Klären Sie, ob die Anforderung „keinen Phantombefehl ausgeben“ oder „jede gleichzeitig betätigte Taste erkennen“ lautet.

Eine validierte Entkopplungsarchitektur ergänzen

Wenn die unabhängige Erkennung mehrerer gleichzeitig betätigter Tasten zwingend erforderlich ist, kann die Schaltung eine Entkopplung jeder einzelnen Taste oder eine andere für Rollover ausgelegte Architektur benötigen. Sämtliche Entkopplungsbauteile müssen im PCB-/FPC-Schaltplan dargestellt und hinsichtlich Abtastrichtung, Spannungsabfall, Eingangsschwellen, Leckströmen, ESD-Netzwerk und verfügbarem Einbauraum validiert werden. Ergänzen Sie ein Entkopplungsbauteil nicht erst spät unter der Annahme, dass an den ursprünglichen Schwellen weiterhin dieselbe Reserve besteht.

Die Architektur ändern

Bei einer begrenzten Tastenanzahl können direkte GPIO-Eingänge die Mehrdeutigkeit der Matrix beseitigen. Für größere Schnittstellen kann ein dedizierter Tastaturscanner oder I/O-Expander die benötigte Pinanzahl am Host-Prozessor verringern und zugleich das Abtastverhalten innerhalb einer definierten Controllerfunktion halten. Das gewählte Bauteil muss dennoch die freigegebene Anforderung an gleichzeitig betätigte Tasten erfüllen.

6. Die freigegebene Liste der Tastenkombinationen prüfen

Eine Durchgangsprüfung einzelner Tasten reicht für eine Schaltmatte mit Mehrtastenfunktionen nicht aus.

Der Validierungsplan sollte die exakt freigegebenen Kombinationen sowohl in den Betätigungs- als auch in den Loslasssequenzen prüfen. Beziehen Sie die für die Serie vorgesehenen Ausführungen der Schaltmatte, der Schaltung, des Steckverbinders, der Host-Eingangskonfiguration und der Gehäuseabstützung ein.

Verwenden Sie eine verbindlich geführte Tabelle wie diese:

Prüfen Sie auch die Kombinationen, die nicht zulässig sind. Das geforderte Produktverhalten könnte „die zuletzt betätigte Taste ignorieren“, „einen Fehler melden“, „die ersten beiden Tasten beibehalten“ oder „keine Aktion“ lauten. Diese Entscheidung gehört in die Produktanforderungen und darf nicht auf einer undokumentierten Annahme der Firmware beruhen.

Wenn das Zeitverhalten wichtig ist, zeichnen Sie die angesteuerte Leitung, die eingelesene Leitung, die Eingangsspannung und das dekodierte Tastenereignis gemeinsam auf. So lassen sich Kontaktprellen, langsames Einschwingen, die Reserve zur Schaltschwelle und tatsächliches Ghosting voneinander unterscheiden.

7. Tastenzuordnung, Pinbelegung und Verantwortungsgrenzen gemeinsam festschreiben

Geben Sie vor der Freigabe der Schaltmattenzeichnung, des PCB-Layouts oder des Steckverbinders diese Punkte als gemeinsames Paket frei:

1. Tabelle der Tasten-IDs und Funktionen;
2. erforderliche Einzel- und Mehrtastenkombinationen;
3. Zeilen-/Spaltenzuordnung;
4. Pinbelegung und Ausrichtung des Steckverbinders;
5. Tabelle der Ein-/Ausgangszustände auf der Controllerseite;
6. Pull-up/Pull-down und Logikschwellen;
7. Abtast- und Einschwingzeiten;
8. Strategie zur Ghosting-Behandlung oder Entkopplung;
9. Entprell- und Loslassregeln;
10. Mehrtasten-Validierungstabelle und als akzeptabel definiertes Verhalten;
11. Lieferumfang: nur Gummischaltmatte, Schaltmatte + Schaltung oder geprüfte Baugruppe.

Für die leitfähige Schnittstelle selbst finden Sie weitere Informationen auf der JASPER-Seite zu leitfähigen Gummischaltmatten und im Leitfaden zum Widerstand von Carbon-Kontaktpillen. Wenn im Projekt Gummischaltmatte, Schaltung, Steckverbinder und Funktionsprüfung als ein Modul beherrscht werden müssen, entspricht der Beschaffungsweg über Silikonschaltmatten-Baugruppen eher dem benötigten Lieferumfang.

Der entscheidende Punkt ist einfach: Geben Sie das Silikonwerkzeug nicht frei, während Sie die Entscheidung über Zeilen und Spalten auf später verschieben. Die Matrixzuordnung kann die Anzahl der Steckverbinder, die Leiterbahnführung, die Controllerfirmware und das Verhalten erforderlicher Mehrtastenbefehle verändern.

Häufig gestellte Fragen

Prüfen Sie Ihre Kontakt- und Schaltungsanforderungen

Über eine technische Prüfung der Schaltmatte anfragen können Sie die Tastenanordnung, die Zeichnung der leitfähigen Kontakte, den Vorschlag zur Zeilen-/Spaltenzuordnung, den Host-Schaltplan, die Steckverbinderbelegung, die erforderlichen Mehrtastenkombinationen, die Eingangsschwellen, die Abtast- und Entprellanforderungen, den Umfang der Baugruppe, die Jahres- oder Projektstückzahl, den Geräteeinsatz und die Erwartungen an die Validierung einreichen.

Noch nicht endgültig festgelegte Punkte können als TBD (noch festzulegen) gekennzeichnet werden. Entscheidend ist, offene Entscheidungen vor Werkzeugbau und PCB-Freigabe sichtbar zu machen, statt sie hinter einem allgemeinen Hinweis wie „Matrixtastatur“ zu verbergen.