什麼是 N-key 與按鍵衝突？原理說明、改善技術、選購注意完全解析

鍵盤矩陣分2類

由鍵盤矩陣表可以觀察到，同一個矩陣裡，如果恰好都在相鄰的4個位置上，只能同時壓下2顆，壓下第3顆按鍵時就會產生Ghost Key。如果沒有經過特別設計避掉Ghost Key的話，鍵盤基本上都是屬於2-Key Rollover。所以對於鍵盤來說，只要是鍵盤矩陣架構，就只有2種：2-Key Rollover與N-Key Rollover。

N-Key Rollover

N-Key Rollover（NKRO）代表能同時任意壓下N顆按鍵，並正確輸出。換句話說，就是同時任意按下N個鍵都不會發生鍵位衝突，N代表著正整數。當直接以N來表達就代表著無限大的意義，也就是整把鍵盤都能同時壓下並輸出訊號。目前市面許多鍵盤都會強調N-key功能，不過仍有人誤解原意而誤用。

從鍵盤矩陣改進

其實鍵盤廠商很早就注意到鍵位衝突的問題，對於常用組合鍵都會刻意避開。如常見的Ctrl+Alt+Delete，理論上這3鍵應該沒有鍵盤無法輸出，其他例如Ctrl與Shift鍵的組合等等，也都是因為廠商特別設計，所以這些常用的鍵才能正常使用。

在製造廠來說，只要能夠順利使用以上常見組合鍵，並且不會造成鍵位衝突的鍵盤就能滿足絕大多數的使用者。但各廠商的Keyboard Matrix設計都不同，相同的組合鍵透過各種設計都能達到相同的結果。要讓2-Key Rollover變成N-Key Rollover的話，有很多方法可以達成，這裡整理出幾種常見方法給大家參考。

更改鍵盤結構

將鍵盤以結構來區分，除了薄膜式、機械式之外，還有電容式鍵盤。薄膜式與機械式都是以鍵盤矩陣來來判斷，先天性就會有鍵位衝突的問題。電容式鍵盤是以電阻改變的方式來觸發，可以由電阻大小來判斷使用者按下哪些按鍵，所以電容式鍵盤不受鍵盤矩陣影響，天生就擁有N-Key Rollover功能。市面上較為常見的電容式鍵盤以Realforce為主，目前已從PS/2轉為USB介面。Realforce鍵盤雖然內在是N-Key Rollover架構，不過受到USB限制只能任意6鍵輸出，有點可惜。

用電容式設計

此外，i-rocks也要推出電容式鍵盤。不同於以往電容式鍵盤都需要仰賴PCB才能觸發，i-rocks使用IC晶片，將電容等元件都包含在IC內。雖然外觀與一般薄膜式鍵盤相近，但內部薄膜電路要經過特別設計與處理才能使用，而非一般薄膜電路。所以這款鍵盤在PS/2介面擁有N-Key Rollover功能，而在USB介面底下還不確定。

加二極體變單向電路

薄膜式與機械式鍵盤想要避免Ghost Key，還是有方法可以做到。例如在每個按鍵訊號的地方，都加1顆二極體（Diode）隔離電流倒灌，就不會使電路被意外導通而出錯。目前市面上許多機械式鍵盤的處理方式，都是以加二極體來達成N-key功能。至於薄膜式鍵盤，要將二極體加在導電薄膜較不容易，這個方法不太可行。 

▲Cherry G80-3494LYCUS-2鍵盤是在軸上加上二極體，而不是在PCB上直接焊上二極體，與目前常見的機械式鍵盤處理方式不同。

加上二極體處理示範圖

▲在每個訊號連接後，都加上二極體防止電流倒灌。

▲此範例一樣使用Q鍵、W鍵、A鍵來示範，看是否一樣會產生Ghost Key。

▲從C1開始掃描，R1有被導通電路，R2沒有，所以推論出C1R1被壓下，得到Q鍵與A鍵被壓下。

▲再從C2開始掃描，R1形成通路，R2沒有被導通電路，推論出C2R1被壓下，得到只有W鍵被壓下。所以經過C1與C2掃描後，正確得到Q鍵、W鍵、A鍵共3鍵被壓下，沒有產生Ghost Key。

將Controller改成ASIC

1996年Compaq申請過一個專利，特別強調不需要加二極體也能擁有N-Key Rollover功能。Compaq拋棄鍵盤矩陣的想法，將原本在鍵盤上的8 bit MicroController 8051以ASIC（Application Specific Intergrated Circuit）取代。簡單說，就是將I/O針腳增加，讓每顆按鍵都能有獨立針腳傳送訊號，就不會產生Ghost Key。不過ASIC開發成本高，也不能隨時修改，一修改就是從頭設計，所以鍵盤後來也沒有採用此技術。

▲此為Compaq在1996年的美國專利，專利號碼：US005523755A。

▲FIG. 1為當時鍵盤的設計，下方的Keyboard都通過MicroController之後，才傳送至電腦。FIG. 2為如果要讓2-Key Rollover的鍵盤提升至N-Key Rollover，作法就是要在每個Keyboard Matrix交叉點的訊號都加上二極體。

▲FIG. 3為Compaq的專利，將原本的MicroController替換成ASIC。FIG. 4就是原本再交叉點上的按鍵全變成獨立信號。

減少二極體使用量

由於開發ASIC需要花更多費用，所以要達到N-Key還是得回到增加二極體的方法。不過使用二極體的數量是随著鍵盤按鍵數量而改變，所以當鍵盤有101鍵時，那就需要101個二極體，對於成本而言相當高。

2009年韓國廠商Skydigital提出了一個解決方法，將鍵盤矩陣特別設計，增加I/O針腳將訊號拉出，統一集中到薄膜電路外的二極體來處理訊號，這可以省下二極體數量又能達到N-Key Rollover的效果。目前Skydigital在韓國已經推出一款薄膜式N-Key Rollover鍵盤 nKEYBOARD ，就是採用自家的技術，不過成本還是不夠低。

▲Skydigital在官方網站上有特別提出他們的獨家專利說明，Patent Cooperation Treaty（PCT）號碼：WO 2009/119947 A1。

利用電阻直達N-Key Rollover

微軟在2010年對於N-Key Rollover提出新解決方法，不使用二極體而採用電阻來判斷。微軟增加電阻的方式，是直接把薄膜電路的訊號線加長，線路距離加長意即增加電阻，而不是直接在上面加上電阻電路。

由於每個按鍵的電阻都不同，所以當按鍵送出訊號時，可以由鍵盤控制器來判斷是哪些按鍵的訊號，透過這種方法可以達到N-Key Rollover功能。當然電阻也不是只能放在薄膜電路上，也能利用在PCB板上，所以此方法也能應用在機械式鍵盤上。

▲微軟提出的專利後，直接運用在目前的遊戲鍵盤SideWinder X4上。（專利號碼：US20100066567A1）

（後面還有更多鍵盤功能的介紹！）