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文字化けしないキーボード
2023.07.01 /2023.10.25更新

YouTube でも紹介しています。画像をクリックすると再生できます。

Ubuntu Server の初期インストール時に、ネットワークとSSH接続設定さえ行えば、あとはノートパソコンからログインして作業を進めることができます。 この初期インストールの際に日本語キーボードを使うと、ネットワーク設定ファイルをviで開いたときに、IPアドレス指定に使う「[」「]」やファイル保存時の制御文字「:」などが文字化けしてしまい非常に面倒です。 そこで今回は文字化けしない仮想キーボードを作りました。
※日本語キーボードを用いたときには、: ← [Shift] +、[ ← @、] ← [ で対応していました。

システム構成は下記のようになります。

ATmega32u4チップ搭載のマイコンでHIDキーボード機能を動作させ、Raspberry Pi にUSB接続して、 ノートパソコンからはTeraTermでマイコンボードにBluetooth接続します。

●Adafruit ItsyBitsy 32u4 3V@8MHz
・ATmega32u4 onboad chip in QFN package ・3.3V power and logic, 8 MHz clock rate, 2KB RAM and 28K FLASH ・Can act as a USB HID Keyboard, Mouse, MIDI or plain USB 'CDC' serial device (default) ・On-board red pin #13 LED ・23 GPIO total - 6 analog in, 1x SPI port, 1x I2C port, 1x Hardware Serial port and 10 more GPIO, 4 of which have PWM ・Special Vhigh output pin gives you the higher voltage from VBAT or VUSB, for driving NeoPixels, servos, and other high-current devices. Digital 5 level-shifted output for high-voltage logic level output.

●Pinout


3.3V出力ピンは最大500mAの出力が可能です。デジタル5番ピンは出力のみですが5Vロジックに対応しています。
Itsy Bitsy 32u4 3V@8MHz と 5V@16MHz では若干ピン配置が異なります。 3V@8MHz:VMAX,GND ←→ 5V@16MHz:GND.3.3V と電源周りが逆転しているので危険です。

ATmega32u4 (Leonardo, ProMicro)にはシリアル通信専用のマイコンが搭載されておらず、 シリアルポートはパソコンとマイコン上のソフトウェアにより、仮想的に実現されています。 ブートローダが動いているときには、USBのCommunications Device Class (CDC)ドライバのインスタンスを生成しています。 Arduino Unoとは異なり、ATmega32u4搭載マイコンはパソコンでシリアルポートを開いてもスケッチをリスタートしません。
ATmega32u4マイコンでは、SerialクラスはUSBによるパソコンとマイコン間の仮想シリアルドライバを指します。これはArduino Unoといった従来のArduinoマイコンボードとは異なり、0番ピンおよび1番ピンとは繋がっていません。ハードウェアシリアルポート(0番ピンおよび1番ピン、RXおよびTX)を使用するには、Serial1クラスを使います。
Arduino Leonardoへのガイド

●HC-06 Bluetooth Serial Port Module
ItsyBitsy 32u4 をこのモジュールにシリアル接続して、パソコンとBluetooth通信を行います。
Bluetooth 2.0 serial port module.
MODELHC-06
Work band2.4G
Communication interfaceUART3.3V TTL
Working voltage3.6~6V
Air Speed2Mbps
Communication level3.3V
Communication current40mA
Receiving sensitivity-85dBm @ 2Mbps
Reference distance10m


※5Vロジックを使用する場合
ItsyBitsy 32u4 3V/8MHz では、HC-06に直接接続できますが、5V系のLeonardoやPro Microを使用する場合は注意が必要です。

ArduinoのRXDをモジュールのTXDに接続し、ArduinoのTXDを抵抗分圧器を介してモジュールのRXDに接続するだけです。この分圧器は、Arduino から送信された 5V ロジック信号をモジュールに適した +3.3V ロジック信号に変換するために提供されます。
How to use HC-06 Bluetooth Module

ItsyBitsy -  HC-06 
RX  -  TXD
TX  -  RXD
GND  -  GND
3V  -  VCC


ソースコードのビルドには、PlatformIOを使用しています。
Arduino開発環境構築 PlatformIO

$ mkdir ~/ItsyBitsy32u4
$ cd ~/ItsyBitsy32u4
$ pio boards ItsyBitsy
Platform: atmelavr
==========================================================================
ID               MCU        Freq  Flash RAM    Name
---------------- ---------- ----- ----- ------ ---------------------------
itsybitsy32u4_3V ATMEGA32U4 8MHz  28KB  2.50KB Adafruit ItsyBitsy 3V/8MHz
itsybitsy32u4_5V ATMEGA32U4 16MHz 28KB  2.50KB Adafruit ItsyBitsy 5V/16MHz
$ pio init -b itsybitsy32u4_3V

●ATコマンドモードによるHC-06モジュールの設定
HC-02ではラズベリーパイに繋いで簡単に設定できました。
HC-02(RXD,TXD,GND,VCC,KEY)→RaspberryPi(TX,RX,GND,3V,3V)。
番外編 mirco:bit 磁気・加速度センサ
しかし、HC-06ではラズベリーパイのデバイスモニターが反応しません。
そこで、ItsyBitsyにプログラムを書き込んで自動設定しました。

Raspberry Pi 3 model A に繋いでいます。
電源投入後、他のデバイスとペアリングされていない状態であれば常にATモードになっています。(赤色LEDが素早く点滅)

【setup.ino】
#define INTERVAL (50)

void atcommand(char *cmd)
{
	long elapsed;
	Serial.println(cmd);
	Serial1.write(cmd);
	while (!Serial1.available());
	while (Serial1.available()) {
		Serial.write(Serial1.read());
		elapsed = 0;
		while (!Serial1.available()) {
			elapsed += INTERVAL;
			delay(INTERVAL);
			if (elapsed >= 500) break;
		}
		if (elapsed >= 500) break;
	}
	Serial.write(0x0a);
}

void setup() 
{
	Serial.begin(9600);
	while (!Serial);
	Serial1.begin(9600);
	atcommand("AT");
	atcommand("AT+VERSION");
	atcommand("AT+NAMEhc_06_keyboard");
	atcommand("AT+PIN5678");
	atcommand("AT+BAUD6");
}

void loop() {}
●ソースコード解説

1. void setup()部分

Serial.begin(9600);
while (!Serial);
USBシリアル(ItsyBitsy←→RaspberryPi)の通信速度を9600に設定して、 インスタンスが生成されるのを待ちます。

Serial1.begin(9600);
HC-06の初期通信速度は9600です。(ItsyBitsy←→HC-06)

atcommand("AT");
接続を確認します。

atcommand("AT+VERSION");
バージョンを確認します。

AT+NAMEhc_06_keyboard
Bluetooth名を「hc_06_keyboard」に変更します。

AT+PIN5678
PIN番号を「5678」変更します。初期値は「1234」です。

AT+BAUD6
ボーレートを変更(9600→38400)します。

2. atcommand(char *cmd)部分

Serial.println(cmd);
Serial1.write(cmd);
発行したATコマンドをRaspberry Pi と HC-06に送信します。 HC-06には改行コードなしでコマンドを送信します。

 while (!Serial1.available());
 while (Serial1.available()) {
  Serial.write(Serial1.read());
  elapsed = 0;
  while (!Serial1.available()) {
   elapsed += INTERVAL;
   delay(INTERVAL);
   if (elapsed >= 500) break;
  }
  if (elapsed >= 500) break;
 }
HC-06からの応答文字列を取りこぼさないように制御しています。

●実行

$ pio device list
/dev/ttyACM0
------------
Hardware ID: USB VID:PID=239A:800D LOCATION=1-1:1.0
Description: ItsyBitsy 32u4 3V 8MHz

/dev/ttyAMA0
------------
Hardware ID: 3f201000.serial
Description: ttyAMA0

$ pio run -t upload
ビルドします。

$ pio device monitor -p /dev/ttyACM0 -b 9600
PlatformIOのデバイスモニタに接続します。


再起動後は通信速度が38400に変更されます。
※HCシリーズのATコマンド仕様は機種により異なるのでデータシートで確認してください。

●補足*ItsyBitsy 32u4 修復
フューズビットが破損して、プログラムをアップロードできなくなったときの忘備録です。
avilleret/Burn_Caterina_Bootloader_to_ItsyBitsy


OPEN-SMARTのUNO R3を使ってます。スイッチで3.3Vと5V駆動を切り替えることができます。今回は3.3Vで使用。

1. Arduino UNO にArduinoISPプログラムを書き込みます。

2. Arduino UNO と ItsyBitsy を接続します。
Arduino | ItsyBitsy
3V3     | 3V
GND     | GND
6(10)   | RST (reset)
11      | MOSI
12      | MISO
13      | SCK
※Arduino側のRESETピンはソースコードを書き替えて6番ピンにしています。通常は10番ピンです。
3. ブートローダーをダウンロードします。
https://learn.adafruit.com/introducting-itsy-bitsy-32u4/downloads

4. フューズをセットアップします。
$ ~/.platformio/packages/tool-avrdude/avrdude -C ~/.platformio/packages/tool-avrdude/avrdude.conf -c avrisp -P /dev/ttyUSB0 -b 19200 -p m32u4 -U lfuse:r:low_fuse_val.hex:h -U hfuse:r:high_fuse_val.hex:h

5. ブートローダーを書き込みます。
$ ~/.platformio/packages/tool-avrdude/avrdude -C ~/.platformio/packages/tool-avrdude/avrdude.conf -c avrisp -P /dev/ttyUSB0 -b 19200 -p m32u4 -U flash:w:Caterina_itsybitsy3V.hex

※ビルドしたファイルは、.pio/build/itsybitsy32u4_3V/firmware.hex として保存されるので、ブートローダと同様にflashに書き込むことも可能です。
$ ~/.platformio/packages/tool-avrdude/avrdude -C ~/.platformio/packages/tool-avrdude/avrdude.conf -c avrisp -P /dev/ttyUSB0 -b 19200 -p m32u4 -U flash:w:.pio/build/itsybitsy32u4_3V/firmware.hex

また、ルールを追加する必要があるかもしれません。
$ cd /etc/udev/rules.d
$ ls
60-rp2040.rules 99-com.rules 99-platformio-udev.rules
$ sudo wget https://github.com/adafruit/Trinket_Arduino_Linux/raw/master/99-adafruit-boards.rules
$ ls
60-rp2040.rules 99-adafruit-boards.rules 99-com.rules 99-platformio-udev.rules
$ sudo udevadm control --reload-rules

Ref. Using the Arduino IDE on the Raspberry Pi for AdaFruit’s Boards.

●Bluetoothループバックテスト
設定が完了したところで、ソースコードを書き替えます。
Bluetooth接続した相手からの入力文字列をそのまま返すループバックテスト用のプログラムです。
void setup() {
 Serial1.begin(38400);
}
void loop() {
 if (Serial1.available()) Serial1.write(Serial1.read());
}

WINDOWSパソコンから Bleutoothデバイスの追加を行ってみます。


ペアリングします。設定変更した、PINコードを入力します。

メニューバーの[WINDOWS]アイコンを右クリック→デバイスマネージャー

ペアリングが完了するとデバイスマネージャーのポート(COMとLPT)に仮想COMポートが追加されます。

追加されたCOMポートを右クリック、プロパティを選択します。

BAUDRATE(ビット/秒)から38400を選択します。

先程のデバイスマネージャーの画面から[操作]→[デバイスとプリンター]を選択します。


hc_06_keyboardを右クリックして、[プロパティ]を選択します。


[サービス]タブをクリックします。

Bluetoothサービス・シリアルポート(SPP)'Port'をチェックします。


TeraTermを起動して、COMポート経由で接続します。

[設定]→[シリアルポート]を選択します。

スピードに 38400 を選択します。


HC-06の赤色点滅から点灯に変わります。


画面から12345と打ち込むとそのまま入力文字がループバックされて表示されます。

●HID Keyboard
それでは、Amega32u4マイコンを仮想キーボードとして利用します。
$ pio pkg search "header:Keyboard.h"
arduino-libraries/Keyboard
Library ~ 1.0.4 ~ Published on Thu May 5 12:36:32 2022
Allows an Arduino board with USB capabilities to act as a Keyboard. This library plugs on the HID library. It can be used with or without other HID-based libraries (Mouse, Gamepad etc)

$ vi platformio.ini
[env:itsybitsy32u4_3V]
platform = atmelavr
board = itsybitsy32u4_3V
framework = arduino
lib_deps =
  arduino-libraries/Keyboard

この設定でビルドすると、~/ItsyBitsy32u4/.pio/libdeps/itsybitsy32u4_3V/Keyboard/src に ライブラリーがインストールされます。
$ ls ~/ItsyBitsy32u4/.pio/libdeps/itsybitsy32u4_3V/Keyboard/src
Keyboard.cpp              KeyboardLayout_es_ES.cpp  Keyboard_es_ES.h
Keyboard.h                KeyboardLayout_fr_FR.cpp  Keyboard_fr_FR.h
KeyboardLayout.h          KeyboardLayout_it_IT.cpp  Keyboard_it_IT.h
KeyboardLayout_da_DK.cpp  KeyboardLayout_sv_SE.cpp  Keyboard_sv_SE.h
KeyboardLayout_de_DE.cpp  Keyboard_da_DK.h
KeyboardLayout_en_US.cpp  Keyboard_de_DE.h
プログラム作成時、Keyboard.cpp, Keyboard.h、KeyboardLayout_en_US.cppの内容を参考にします。
#include <Keyboard.h>

char buf[32];

void setup()
{
	Serial1.begin(38400);
	Keyboard.begin();
}

void loop()
{
	byte key, key1, key2, key3;
	while(Serial1.available()) {
		key  = 0x00;
		key1 = Serial1.read(); delay(10);
		key2 = Serial1.read(); delay(10);
		key3 = Serial1.read();
		switch(key1) {
			case 0x0d: key = 0x0a; break;
			case 0x1b:
				key = KEY_ESC;
				if (key2==0x5b) {
					switch(key3) {
						case 0x41: key = KEY_UP_ARROW;    break;
						case 0x42: key = KEY_DOWN_ARROW;  break;
						case 0x43: key = KEY_RIGHT_ARROW; break;
						case 0x44: key = KEY_LEFT_ARROW;  break;
					}
				}
				break;
			case 0x01: // ネットワーク設定
				Keyboard.write("sudo vi /etc/netplan/50-cloud-init.yaml",39);
				Serial1.println("sudo vi /etc/netplan/50-cloud-init.yaml");
				break; 
			default: key = key1; break;
		}
		if (key) Keyboard.write(key);
		sprintf(buf,"[0x%02x] 0x%02x:0x%02x:0x%02x\r\n", key, key1, key2, key3);
		Serial1.print(buf);
	}
	delay(10);
}

●コードの要点
TeraTerm を利用してBluetooth通信を行う場合、日本語キーボード独特のコード体系はパソコン側のキーボード・ドライバにより吸収されるため、 文字や記号は見た目と同じアスキーコードとして送信され、そもそも文字化けは発生しません。

プログラムでは、[ESC][↑][↓][←][→]などの制御コードをHIDキーコードへの変換を行います。

制御キー送信されるデータHIDキーコード
[ESC][0x1b]KEY_ESC
[0x1b][0x5b][0x41]KEY_UP_ARROW
[0x1b][0x5b][0x42]KEY_DOWN_ARROW
[0x1b][0x5b][0x43]KEY_RIGHT_ARROW
[0x1b][0x5b][0x44]KEY_LEFT_ARROW
このように矢印キーを押したときには3バイトの制御データが送信されてきます。
HIDキーコードを下記で確認できます。
$ cat ~/ItsyBitsy32u4/.pio/libdeps/itsybitsy32u4_3V/Keyboard/src
// Misc keys
#define KEY_UP_ARROW      0xDA
#define KEY_DOWN_ARROW    0xD9
#define KEY_LEFT_ARROW    0xD8
#define KEY_RIGHT_ARROW   0xD7
#define KEY_BACKSPACE     0xB2
#define KEY_TAB           0xB3
#define KEY_RETURN        0xB0
#define KEY_MENU          0xED
#define KEY_ESC           0xB1
........

プログラム内での処理は下記のようになります。
byte key, key1, key2, key3;
while(Serial1.available()) {
 key  = 0x00;
 key1 = Serial1.read(); delay(10);
 key2 = Serial1.read(); delay(10);
 key3 = Serial1.read();
 switch(key1) {
  case 0x0d: key = 0x0a; break;
  case 0x1b:
   key = KEY_ESC;
   if (key2==0x5b) {
    switch(key3) {
     case 0x41: key = KEY_UP_ARROW;    break;
     case 0x42: key = KEY_DOWN_ARROW;  break;
     case 0x43: key = KEY_RIGHT_ARROW; break;
     case 0x44: key = KEY_LEFT_ARROW;  break;
    }
   }
   break;
  default: key = key1; break;
 }
 if (key) Keyboard.write(key);
}
switch()文のdefault部分が通常の文字・記号の処理です。


Ubuntu Server の初期インストールの様子です。 Raspberry Pi 3 model B+ にHDMIモニターを接続、ノートパソコンのキーボードを使って、TeraTerm・仮想キーボード経由で入力しています。

●注意点とカスタマイズ
HID KEYBOARD では、ASCIIコード中の制御コード0x00~0x07,0x0B~0x1F,0x7fが無効です。つまり、 [CTRL]+C などは使えません。 ネットワーク設定の際に、pingコマンドなどを発行すると停止できなくなってしまいますので注意しましょう。

しかし、これを逆手に取ると便利な機能を追加できます。例えばキーボードで[CTRL] + a を押すと、0x01 が送信されます。
これにネットワーク設定ファイルを開くコマンドを付与できてしまいます。
case 0x01: // ネットワーク設定
 Keyboard.write("sudo vi /etc/netplan/50-cloud-init.yaml",39);
 break;
この要領で多くのコマンドを登録することが可能です。


仮想キーボードはとても小さいので、文字化け対策に英語キーボードを購入するよりも便利かもしれません。
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