Clavier 是一个引人注目的开源硬件项目,它把机械键盘与 FPGA、USB 集线器以及多种通信接口结合在一起,面向对可定制性和可扩展性有较高要求的键盘爱好者与电子工程师。Clavier 名字源自法语,意为键盘,但它不仅仅是一个普通的外设:设计者把 FPGA 用作键盘逻辑的核心,外加 CH347F 芯片来处理 USB 和多种通信协议,从而把键盘变成一个具备扩展能力的开发平台。了解 Clavier 的设计、制作流程与可能的改造方向,有助于更好地评估它在个人项目或实验室中的应用价值。 从功能层面看,Clavier 是一块全尺寸 105 键(ISO 布局)并且额外增加一个"咖啡键"的机械键盘,原生支持 PCB 安装的 Cherry MX 轴体,实现了 N-key rollover 与 1000 Hz 的轮询率,承诺无多路复用、无鬼键的体验。硬件上包含两端口的 USB 2.0 集线器,CH347F 提供 JTAG、SPI、I²C、UART 以及 8 个 GPIO 接口,便于连接外部设备或用于调试。FPGA 设计采用 VHDL 编写,项目坚持开源原则,全部工具和代码都可在仓库中获取,允许社区进行深入修改与二次开发。
Clavier 的 PCB 为四层板,设计考虑了商业制造而非手工小批量组装,因此部分元件为 0402 尺寸,主 FPGA 使用 BGA 封装,这对手工焊接提出了较高要求。对 DIY 爱好者而言,虽然整体可行,但建议具备 SMD 焊接经验,或者选择由专业厂商贴片加工后再自己进行少量手工焊接。项目仓库同时提供了 KiCad 的原理图与 PCB 文件,便于研究与修改。外壳方面提供了 OpenSCAD 与 FreeCAD 两种设计,其中 FreeCAD 版本更适合导出 STEP 文件用于 CNC 加工;项目甚至提供了两个版本的外壳设计,后续版本将键盘倾角调整为 8°,改善了打字舒适度。 软件与工具链是 Clavier 的亮点之一。FPGA 端的构建通过 GNU Make 与 OSS CAD Suite(包含 GHDL、Yosys、ghdl-yosys-plugin、nextpnr-ecp5、ecppack、openFPGALoader 等)完成,允许使用开源工具将 VHDL 合成并生成可刷入 ECP5 系列 FPGA 的比特流。
仓库说明了如何在 FPGA 子目录下运行 make 来进行构建,编程则可以通过板载的 JTAG 接口完成,项目提供了两个常用的编程目标:prog-sram(临时烧写到 SRAM)与 prog-flash(写入闪存以实现永久配置)。板上的开关 SW18 能够切换接口的启用状态,附近的 LED(如 D1)用于显示当前状态,使开发与调试过程更加直观。 在通信接口方面,Clavier 的大多数外设通信由 CH347F 处理,只有部分 GPIO 直接连接到 FPGA。CH347F 是一颗能力丰富的 USB 接口芯片,除了标准的 USB 通信外,还暴露了 JTAG、SPI、I²C、UART 等总线接口,这使得键盘可以直接作为一个多功能的 USB 外设与主机交互,或作为一个调试与扩展端口。想象一下,把外部传感器、显示屏、额外的按键模块通过 I²C 或 SPI 挂到键盘上,或通过 UART 与外部微控制器通信,这些都是可行且易于实现的扩展场景。 硬件设计细节和实际组装经验值得关注。
Clavier 采用了 PCB 安装的 Cherry MX 轴体,保证了与市面常见轴体的兼容性,键位扫描采用能实现 NKRO 的布线与按键电路,配合适当的消抖逻辑,可以获得专业级的按键响应。由于没有使用传统的多路复用扫描方式,键盘的矩阵与 FPGA 的直连和逻辑处理降低了键盘延迟与误判概率。封装和元件选型方面,BGA FPGA 提升了性能与封装密度,但也增加了手工装配门槛;0402 被动元件节省了板面空间,但在手工焊接时需要更高的耐心与设备支持。推荐使用热风回流或专业贴装服务完成主要元件的焊接,手工焊接可以用于少量元件和接口连接的补焊。 对软件开发者和 FPGA 爱好者来说,Clavier 提供了良好的学习平台。FPGA 代码使用 VHDL 编写,适合希望深入理解硬件级键盘逻辑、硬件宏定义、按键防抖和扫描算法的开发者。
由于项目采用开源工具链,开发者可以在不依赖闭源工具的情况下完成从代码到比特流的全流程。常见的开发流程包括在本地环境配置 OSS CAD Suite,运行 make 构建目标,使用 openFPGALoader 或 FPGA 的 JTAG 接口将生成的比特流写入板卡。对于想把功能推进到更复杂层面的团队,可以考虑在 FPGA 中实现更丰富的特性,如硬件宏记录、按键组合加速器、低延迟 HID 协议优化,或将 FPGA 与主机之间的通信协议进行自定义以适应特殊应用。 Clavier 的拓展性是另一个重要卖点。通过 CH347F 的外设接口,开发者可以把键盘当作一个开发平台来使用。外接显示模块用于显示当前键盘层、媒体信息或系统状态,接入外部传感器用于实现键盘环境感知,或打开 JTAG 进行 FPGA 的进一步调试与开发,这些都能显著提升键盘在实验与产品原型中的价值。
两个 USB 下游端口意味着键盘本身可以为额外的 USB 设备供电与带宽支持,例如把鼠标、U 盘或蓝牙适配器直接插到键盘上,简化桌面布线。对于希望在键盘上实现硬件级别安全或认证的团队,Clavier 的多接口环境也为实现专用安全模块提供了入口。 作为开源项目,许可信息同样重要。Clavier 把 PCB 与外壳设计采用 CERN Open Hardware Licence Version 2 - Permissive,FPGA 代码则采用 MIT 许可证,图片使用 CC BY 4.0 协议。这样的组合在允许广泛再利用的同时,也保护了设计者的署名与贡献方式。任何想要二次开发或商业化的团队,只要遵守相应许可条款,就可以基于 Clavier 做出衍生产品或在教育中使用。
社区的活跃度与 Fork、Stars 数量表明它在开源机械键盘圈子中得到了一定关注,开发者可以直接在 GitHub 仓库中获取最新的原理图、PCB 文件、FPGA 源码和外壳模型。 实际使用体验方面,Clavier 的 1000 Hz 轮询率与 NKRO 能够满足绝大多数游戏与专业输入场景的需求。键盘的咖啡键是一个有趣的设计细节,短按可以快速锁定电脑,长按 5 秒可重置 FPGA,体现了硬件级别的用户控制能力。LED 与电源管理在设计中也被考虑在内,例如最近的提交中提到在挂起(suspend)状态下禁用 LED,以降低功耗并延长系统休眠时的电池或供电效率,对于追求低功耗桌面环境的用户来说这是一个实用的改进。 对于有意购买或自己生产 Clavier 的人,理解制造与调试的成本与难度很重要。PCB 的制造本身并不复杂,但高密度贴片与 BGA 封装通常需要专业的贴片与回流工艺。
对于个人玩家,可以选择由 PCB 生产商完成贴片并只做少量手工焊接;或者在社区中寻找已有成品或预装套件以降低入门门槛。组装完成后,利用项目提供的固件与工具进行编程与调试,熟悉 JTAG 接口以及 CH347F 的驱动与配置,有助于快速投入使用或开展二次开发。 Clavier 的意义不仅在于它作为一块键盘的功能,更在于它把键盘打造为一个可编程、可扩展的硬件平台。对于想学习 FPGA、探索非传统外设功能、或者需要一个集成多种通信手段的桌面控制中心的开发者来说,Clavier 是一个极具吸引力的起点。通过开源工具链与开放设计,社区成员可以贡献改进、移植新协议或把键盘变成更复杂的交互终端。若目标是打造一款便于大规模生产、标准化的消费产品,Clavier 的设计思路也能为工程团队提供宝贵的参考,尤其是在把键盘与外围设备紧密集成的方向上。
无论是作为学习平台、DIY 项目还是专业原型,Clavier 都展示了把 FPGA 和外设接口引入传统外设设计的潜力。对键盘爱好者、硬件工程师以及 FPGA 开发者而言,深入研究并参与此类项目不仅能学到实用的硬件与工具链知识,还能通过开源社区的协作推动产品走向更成熟的实现。欲了解更详细的原理图、源代码与 3D 模型,请访问项目的 GitHub 仓库,阅读仓库内的 README 与文档,并在社区中讨论组装与改造经验,从而把 Clavier 打造为符合个人需求的高度可定制化输入平台。 。
