Trabalho 02

Universidade de Brasília - FCTE

Embarcados

Equipe:

Introdução

Este trabalho tem como objetivo realizar um estudo teórico-exploratório sobre um teclado embarcado existente, analisando suas funcionalidades, arquitetura eletrônica e tecnologias de comunicação. A partir desse estudo, buscamos compreender como suas principais funções podem ser total ou parcialmente reproduzidas utilizando o ecossistema da ESP32, incluindo botões, varredura de matriz, comunicação Bluetooth e personalização de firmware. O estudo envolve levantamento bibliográfico, análise técnica e a elaboração de um modelo conceitual que poderá servir de base para uma futura implementação prática em laboratório.

1 - Descrição do produto

1.1 - Definição de Teclado

O teclado é um dispositivo de entrada utilizado para enviar dados e comandos a um sistema computacional através da ativação de teclas. Cada tecla pressionada é convertida em um código (como códigos de varredura, ASCII ou Unicode), que é então interpretado pela CPU ou pelo sistema operacional.

Segundo Stallings (2017):

"O teclado é um dispositivo de entrada baseado em um conjunto de teclas que, quando pressionadas, enviam ao sistema códigos que representam caracteres ou instruções."
— Stallings, William. Computer Organization and Architecture: Designing for Performance. 10ª ed. Pearson, 2017.

De forma complementar, Tanenbaum e Austin (2013) explicam que dispositivos de entrada como o teclado funcionam como interfaces essenciais entre o usuário e a máquina, convertendo ações físicas em sinais processáveis:

"Dispositivos como teclados convertem ações físicas em sinais elétricos que podem ser processados pelo computador, funcionando como interface essencial entre o usuário e a máquina."
— Tanenbaum, Andrew S.; Austin, Todd. Structured Computer Organization. 6ª ed. Pearson, 2013.

Perspectiva Histórica

O artigo “The History of the Computer Keyboard” refere que o teclado moderno evoluiu das máquinas de escrever patenteadas por Christopher Latham Sholes em 1868 e de suas versões comerciais subsequentes. Além disso, dispositivos como teletipos (teletypes/TTY) atuaram como importantes predecessores dos teclados digitais.
Essa evolução histórica evidencia que, mesmo nos sistemas computacionais contemporâneos, o teclado mantém a função de interface humano-máquina para entrada de texto e execução de comandos.

Funcionalidades

Podemos descrever o teclado como um dispositivo de entrada cuja função principal é permitir que o usuário interaja com um sistema computacional por meio do acionamento de teclas. Herdando sua origem das máquinas de escrever e evoluindo por dispositivos como os teletipos, o teclado moderno tornou-se a principal interface humano-máquina para inserção de texto e execução de comandos.

Atualmente, para facilitar e ampliar sua funcionalidade principal, os teclados podem incluir recursos adicionais, como teclas programáveis para atalhos, iluminação por LEDs, softwares de configuração, e diferentes layouts físicos e lógicos (como ABNT2 em português ou QWERTY em inglês). Esses fatores permitem que o teclado seja adaptado a diferentes contextos de uso, idiomas, ergonomias e necessidades de produtividade, mantendo sua função essencial de comunicação entre o usuário e o sistema digital.

Descrição detalhada das funcionalidades:

• Entrada de Dados: Inserção de texto, símbolos e comandos no sistema.
• Atalhos e Teclas Programáveis: Permitem automatizar funções e aumentar produtividade.
• Iluminação e Feedback Visual: LEDs RGB ou monocromáticos para indicação, estética ou uso em ambientes escuros.
• Conectividade: Pode se comunicar via USB, Bluetooth ou Wi-Fi, permitindo uso com computadores, tablets e até smartphones.

Público-Alvo e Contexto de Uso

Ao analisar teclados como dispositivos de entrada, é importante considerar que diferentes públicos possuem necessidades distintas, o que influencia diretamente aspectos como ergonomia, layout, durabilidade, sensibilidade das teclas e recursos adicionais. A seguir, relacionamos os principais perfis de uso com seus respectivos contextos:

1.2 - Componentes e Sensores utilizados:

Principais Componentes de um Teclado

• Matriz de Teclas:
  Conjunto de linhas e colunas onde cada tecla funciona como um interruptor.

• Microcontrolador:
  Responsável por detectar o acionamento das teclas, processar o sinal e enviar o código correspondente ao sistema.

• Switches:
  Podem ser mecânicos, ópticos, ou membrana — determinam o tipo de sensação ao pressionar.

• Keycaps:
  Parte física pressionada pelo usuário, podendo variar em material e formato.

• Circuito de Debounce (Hardware/Software):
  Evita múltiplos sinais de uma mesma tecla em um único toque.

• Placa Controladora:
  Base onde os componentes são montados e conectados.

• Iluminação (Opcional):
  LEDs individuais ou matriz de LEDs para retroiluminação e efeitos visuais.

Tecnologias de Comunicação e Controle Embarcadas

• USB:
  Forma mais comum de comunicação com computadores, envia códigos padronizados sem necessidade de driver adicional.

• Bluetooth:
  Permite uso sem fio em desktops, notebooks, tablets e smartphones.

• Wi-Fi:
  Usado para configurações remotas e integração com automação.

• Firmware Embarcado:
  Software interno responsável pelo:

  • Mapeamento das teclas (keymap)
  • Scan da matriz de teclas
  • Debounce
  • Macros e camadas de teclas
  • Gerenciamento de energia e comunicação

• Protocolos HID:
  Padrão que define como o dispositivo envia dados ao sistema operacional, garantindo compatibilidade.

2 - Análise técnica do funcionamento:

Por o termo teclado ser muito genérico, para este trabalho usaremos como caso de estudo a marca Biba Keyboards, por disponibilizar projeto e firmware em formato open-source e por oferecer produtos com funcionalidades modernas. Mais especificamente, escolhemos o modelo Biba40 (Split, ortolinear 40%), por ser um teclado completo, com comunicação sem fio (Bluetooth LE), configuração via firmware ZMK, e documentação pública com arquivos de projeto (KiCad) e guia de montagem.Link para comprar produto

Principais módulos do sistema

documentação do teclado

O Biba40 é um teclado ortolinear split onde cada metade monta uma matriz de switches MX (linhas × colunas) com diodos para evitar ghosting. Um microcontrolador nRF52840 varre a matriz, aplica debounce por software e traduz os pressionamentos em keycodes. O firmware ZMK gerencia layers, combos e macros, monta os relatórios HID e envia-os ao host via Bluetooth LE; também há modo cabeado/TRRS para sincronizar ou operar com fio. A alimentação vem de baterias Li-ion/Li-Po com circuito de carga (via USB-C) e a placa (KiCad) integra footprints para switches, diodos, conector de bateria e o módulo wireless; a carcaça costuma ser impressa em 3D. Em suma: tecla → scan matrix → MCU (debounce + keymap/ZMK) → relatório HID → transporte (BLE/USB) → host.

1. Matriz de Teclas (Switches)

• As teclas são implementadas com switches mecânicos padrão MX.
• As teclas são organizadas em matriz (linhas × colunas), reduzindo a quantidade de pinos necessários no MCU.

2. Controlador / MCU (Comunicação e Controle)

• Utiliza um módulo baseado no nRF52840.

3. Firmware

• Firmware utilizado: ZMK (baseado no Zephyr RTOS).

4. Alimentação / Bateria e Carregamento

• Alimentado por bateria Li-ion / Li-Po de 3.7V.
• Pode incluir circuito de carga via USB-C ou módulo externo.

5. Interconexão Entre Metades

• Pode operar de dois modos:
  • Wireless completo (cada metade conecta ao computador por BLE);
  • Conexão cabeada TRRS/USB para sincronização ou firmware.
• O firmware define qual metade atua como “controladora principal”.

6. PCB (Placa de Circuito Impresso)

• Arquivos do projeto disponíveis em KiCad.
• Contém:
  • Footprints dos switches;
  • Posições dos diodos;
  • Conectores para bateria, carregador e TRRS/USB;
  • Espaço de montagem para o módulo Nice!Nano.

7. Carcaça / Case

• Geralmente impressa em 3D.
• Pode ser modificada para ergonomia ou estética pessoal.

8. Periféricos Opcionais

• Keycaps personalizáveis;
• Estabilizadores (para teclas longas);
• LEDs indicadores;

Identificação de Tecnologias Críticas

No funcionamento do teclado Biba40 (e de teclados sem fio modernos), algumas tecnologias são essenciais para garantir baixo consumo, confiabilidade de comunicação e flexibilidade de configuração:

3 - Reprodução na ESP32

A seguir, apresentamos uma proposta conceitual de como reproduzir parte das funcionalidades de um teclado como o Biba40 utilizando uma ESP32 e componentes compatíveis com o ecossistema ESP-IDF. O objetivo é obter um protótipo funcional com teclas personalizáveis, comunicação Bluetooth, e interface simples de configuração via Access Point.

Descrição conceitual

Como descrito acima, nossa ideia é montar um teclado com menos teclas devido à complexidade de criar a matriz e ao número de botões. Por isso, vamos permitir a personalização das funções das teclas. A versão inicial terá 4 teclas e, se obtivermos sucesso, poderemos adaptar para uma versão split com duas metades de 4 teclas cada.

Implementação e adpatações de hardawre

Implementação e adpatações de software

Diagrama conceitual do sistema.

Versão 01

A versão 01 é um protótipo compacto com 4 botões físicos controlados por um único ESP32. Objetivos: permitir personalização via Wi-Fi, mostrar estado em um display OLED I2C e enviar eventos de tecla para o computador via Bluetooth.

Descrição do funcionamento

Hardware / conexões físicas

• Botões → ESP32 (GPIO)
  • Cada botão conectado a um pino digital do ESP32 (GPIO).
• Display OLED → ESP32 (I²C)
  • Usado para feedback (layer, keymap atual, status de conexão).
• ESP32 → Host (Bluetooth)
  • O ESP32 monitora os botões e manda via Bluetooth pro computador.
• Configuração → Wi-Fi (Access Point)
  • ESP32 sobe um AP temporário e um servidor web simples (páginas estáticas) para o usuário configurar o keymap.

Fluxos de comunicação

1. Usuário pressiona botão → sinal elétrico no GPIO.
2. ESP32 aplica debounce (filtro) e valida evento (press/release).
3. Evento mapeado para um código lógico via keymap (mapa configurado pela web).
4. ESP32 monta HID report e envia via BLE para o host (computador).
5. OLED I2C opcional mostra feedback,

Limitações e desafios esperados.

• Número de botões: O teclado original possui uma matriz grande; na nossa réplica inicial teremos menos teclas.
• Switches mecânicos: Reproduzir o mecanismo dos switches é complexo; usaremos botões comuns como alternativa simplificada.
• Debouncing eficiente: É necessário garantir filtragem de ruído elétrica e lógica estável para evitar múltiplos acionamentos indesejados.
• Comunicação BLE: A comunicação Bluetooth pode sofrer instabilidades, atraso ou falhas de emparelhamento, exigindo fila de eventos e controle de tempo.
• Comunicação entre metades (Split): Caso a versão com duas metades seja implementada.
• Personalização das teclas: A configuração via interface web/AP exige software adicional para salvar e carregar mapeamentos.
• Bateria e alimentação: Será necessário usar uma bateria externa e implementar carregamento seguro (proteção, regulador, medição de nível).
• Plug and Play real: Para o dispositivo ser reconhecido como teclado imediatamente, é necessário implementar corretamente o perfil HID sem exigir drivers adicionais.

4 - Pesquisa bibliográfica e tecnológica

Artigos de pesquisa

• “Wireless keyboard and mouse device based on Bluetooth” – Este artigo (SPIE, 2002/2003) apresenta um dispositivo de teclado e mouse sem fio baseado em Bluetooth, demonstrando as primeiras implementações de periféricos sem fio usando o protocolo Bluetooth.

• “Abstract/document/9061500” – Artigo da IEEE que investiga aspectos técnicos recentes (autenticação, latência ou consumo) de dispositivos de entrada sem fio.

• “Device Class Definition for Human Interface Devices (HID), v1.11” – Documento oficial da USB-IF (2001) que define a classe de dispositivo HID (Human Interface Device), a qual inclui teclados, mouses e outros periféricos, padronizando a comunicação destes dispositivos com os hosts via USB.

• "Investigating the Resilience of Unstructured Supernode Networks" - Este artigo revisa sistemas de sensoriamento móvel e descreve como tecnologias de comunicação de baixo consumo especialmente Bluetooth Low Energy (BLE) permitem a coleta contínua de dados sem esgotar rapidamente a bateria, destacando sua importância em dispositivos vestíveis, teclados sem fio e IoT.

Artigos de aplicação

• "Postural Dynamism During Computer Mouse and Keyboard Use" - Este estudo analisou como o corpo se movimenta durante o uso de teclado e mouse.
  A pesquisa mostrou que digitar no teclado gera mais variação postural natural, enquanto o uso prolongado do mouse mantém o corpo mais estático, o que pode aumentar o risco de dor no pescoço e costas.

• "Assisting People with Multiple Disabilities to Improve Computer Typing Efficiency" - O artigo apresenta um método alternativo de digitação para pessoas com deficiências motoras usando teclado virtual + controle via roda do mouse, reduzindo necessidade de precisão manual. Participantes com paralisia cerebral mostraram melhora significativa na velocidade e precisão da digitação.

• "Mechanical and Membrane Keyboard Typing Assessment Using sEMG" - O estudo comparou digitação em teclados mecânicos e teclados de membrana usando sensores musculares (sEMG). Resultados mostraram que teclados mecânicos exigem menos esforço muscular para digitar, enquanto membrana pode gerar mais fadiga no antebraço.

• “An Analysis on the Effects of Different Types of Keyboards on Users’ Productivity and Hand Muscle Strain” – Estudo comparativo de diferentes tipos de teclados (mecânico vs membrana, layout tradicional vs alternativo) avaliando produtividade (velocidade de digitação, precisão) e esforço muscular (EMG). Os autores mostram que o tipo de teclado influencia significativamente o conforto e a eficiência do usuário.

5 Comparativo com produtos similares

Referências

• Stallings, William. Computer Organization and Architecture: Designing for Performance. 10ª ed., Pearson, 2017.

• Tanenbaum, Andrew S.; Austin, Todd. Structured Computer Organization. 6ª ed., Pearson, 2013.

• Khan, W. Z.; Xiang, Y.; Aalsalem, M. Y.; Arshad, Q. (2014). Mobile phone sensing systems: A survey. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 15(4), 1819–1857. Acesso: https://ieeexplore.ieee.org/document/6515207

• “Wireless keyboard and mouse device based on Bluetooth” (SPIE conference). Acesso: https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/4911/0000/Wireless-keyboard-and-mouse-device-based-on-Bluetooth/10.1117/12.480522.short

• Device Class Definition for Human Interface Devices (HID), v1.11 — USB-IF (2001). Acesso: https://www.usb.org/sites/default/files/documents/hid1_11.pdf

• (IEEE) Abstract / document 9061500. Acesso: https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9061500

• Postural Dynamism During Computer Mouse and Keyboard Use. (ScienceDirect). Acesso: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0003687015000423

• Assisting People with Multiple Disabilities to Improve Computer Typing Efficiency. (ScienceDirect). Acesso: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0891422214001954

• Mechanical and Membrane Keyboard Typing Assessment Using sEMG — Tri Pham, Nicholas Kelling (HFES 2015 / ResearchGate). Acesso: https://www.researchgate.net/publication/283538787_Mechanical_and_Membrane_Keyboard_Typing_Assessment_Using_Surface_Electromyography_sEMG

• Yamada, Hisao. A Historical Study of Typewriters and the Keyboard Layout. Human Factors, v. 22, n. 6, p. 643–651, 1980.
  Acesso: https://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1177/001872088002200602

• Repositório GitHub do projeto (firmware / configs / arquivos): danbiba / zmk-config-biba40
  https://github.com/danbiba/zmk-config-biba40
  Contém configs ZMK, exemplos de keymaps, instruções de build e UF2 gerados para as placas Nice!Nano.

• Página de venda / descrição do produto — Tindie (Biba40 Split Mechanical Keyboard — Bluetooth, ZMK):
  https://www.tindie.com/products/danbiba/biba40-split-mechanical-keyboard-bluetooth-zmk/#:~:text=Specs and Docs

• Artigo/overview na comunidade (KBD.news) com resumo e especificações:
  https://kbd.news/Biba40-2497.html