西南電子技術(shù)研究所 羅道 江

便攜式手持設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)綜述

西南電子技術(shù)研究所 羅道 江

重點(diǎn)介紹對(duì)便攜式手持設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：主要包括外觀造型設(shè)計(jì)和內(nèi)部互聯(lián)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。文章綜合論述幾種典型便攜式手持設(shè)備外觀造型優(yōu)缺點(diǎn)及其使用場(chǎng)合，并總結(jié)了便攜式手持設(shè)備結(jié)構(gòu)布局及電氣互聯(lián)的經(jīng)驗(yàn)，借鑒這些經(jīng)驗(yàn)有效提高了便攜式手持設(shè)備設(shè)計(jì)效率。

造型設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；互聯(lián)技術(shù)

1.引言

隨著人們對(duì)便攜式的和手持設(shè)備的市場(chǎng)需求不斷增加，為了能夠在具有較高功能的前提下，擁有小型化、輕型化和高性能的器件，使用裸管芯產(chǎn)品的多芯片封裝的益處就非常明顯。于是開發(fā)設(shè)計(jì)和組裝技術(shù)面臨著新的挑戰(zhàn)，人們關(guān)注采用比傳統(tǒng)的表面貼裝器件更低的成本，來獲取比芯片上系統(tǒng)解決方案更快的進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)間。使這些先進(jìn)的封裝技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)的因素是依賴芯。

2.便攜式手持設(shè)備產(chǎn)品分類

便攜式設(shè)備按照功能和使用環(huán)境分為兩大類：娛樂類和工具類。

2.1 娛樂類

智能手機(jī)和手提電腦之類的移動(dòng)手持設(shè)備，智能手機(jī)是一種運(yùn)算能力及功能比傳統(tǒng)手機(jī)更強(qiáng)的手機(jī)。

2.2 工具類

工具類的手持設(shè)備則概括為以下幾部分：

數(shù)據(jù)采集器：如條碼手持終端，手持終端采集器，手持式條碼數(shù)據(jù)終端、數(shù)據(jù)采集終端等等。

手持采集設(shè)備是提供給巡查人員使用的一個(gè)便攜式小型查詢系統(tǒng)，它通過無線通訊的方式與監(jiān)測(cè)器組成的系統(tǒng)相連，通過查詢監(jiān)測(cè)器當(dāng)前的工作狀況(故障電流、線路節(jié)點(diǎn)參數(shù)等)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)故障點(diǎn)的準(zhǔn)確定位。

IC卡手持終端：集成接觸式/非接觸式IC卡讀寫功能的手持終端稱為IC卡手持終端，又稱手持IC卡終端，手持IC卡讀寫器、手持式IC卡數(shù)據(jù)采集器等等。

手持指紋采集終端：手持指紋采集終端是指集成了指紋采集、比對(duì)功能的手持終端。

抄表機(jī)，抄表機(jī)：用于公用事業(yè)(水、電、氣、以后還會(huì)有暖氣)抄表用的手持終端。用于電力抄表的抄表機(jī)通常集成電力紅外功能。

3.便攜式手持設(shè)備外觀造型設(shè)計(jì)

3.1 便攜式設(shè)備面板布局

手持設(shè)備跟其他工業(yè)設(shè)備最大的區(qū)別就在于它的便攜式和較強(qiáng)的可操作性，下面我們以圖片來說明便攜式設(shè)備普遍的布局形式見圖1。

可以看到，手持設(shè)備一般按人機(jī)操作可分為：檢測(cè)接觸區(qū)域，顯示區(qū)域，操作區(qū)域，手握區(qū)域和外部接口區(qū)域。

3.2 手持檢測(cè)設(shè)備的造型特性

由于目前的各類產(chǎn)品越來越多的考慮人性化設(shè)計(jì)，那么人員使用非常頻繁的手持設(shè)備也不例外，下面我們從傳統(tǒng)的到比較新穎的造型來分析它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

3.2.1 傳統(tǒng)平板式設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)平板便攜式設(shè)備(見圖2)在造型上比較保守，它的優(yōu)點(diǎn)是從功能出發(fā)考慮設(shè)計(jì)，更富有工業(yè)感，造型上能保持中庸，不會(huì)太容易過時(shí)，但也不會(huì)太時(shí)尚，在制造上則更加節(jié)約模具的成本，更有利于批量生產(chǎn)，在使用環(huán)境上則更加多樣化，能適應(yīng)更多不同的場(chǎng)合，缺點(diǎn)則是親和力相對(duì)比較缺乏，造型比較單一，缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭力。

3.2.2 彎曲式造型設(shè)計(jì)

相比起傳統(tǒng)的平板設(shè)計(jì)，彎曲式造型設(shè)計(jì)(見圖3)則更加考慮人性化，這種設(shè)計(jì)唯一與傳統(tǒng)的區(qū)別在于考慮到人手握把手的時(shí)候觸覺的舒適度，使人在使用起來更加的舒適。它的不足則是造型上工業(yè)感略差，更加貼近一般的日用使用產(chǎn)品類型。

3.2.3 棒式造型設(shè)計(jì)

比起前兩種手持設(shè)備，這種棒式造型設(shè)計(jì)(見圖4)可以說是有比較大的突破，它的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)采用更符合人機(jī)的長把手設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)采集面更大。人在使用時(shí)覺得更加輕便，整體長條造型的設(shè)計(jì)使人單手即能操作，不足的地方是這種方式的設(shè)計(jì)便決定它的功能有局限性，不能設(shè)置更多的按鍵及輸入設(shè)備模塊，因?yàn)槟菢訒?huì)使得操作極為不便，因此這種造型設(shè)計(jì)一般應(yīng)用于能單手操作的檢測(cè)設(shè)備比較多。

3.2.4 槍式造型設(shè)計(jì)

槍式造型設(shè)計(jì)(見圖5所示)應(yīng)該說是結(jié)合了前面幾種手持設(shè)備的所有優(yōu)點(diǎn)，它不僅能單手操作，而且功能完善，能應(yīng)用于多種場(chǎng)合，槍式的造型設(shè)計(jì)不僅能滿足功能的需求，同時(shí)也非常人性化，在造型上也突破比較大，顯得酷而大氣，唯一的不足便是體積相對(duì)比較大，在攜帶方面會(huì)相對(duì)不太方便。增加運(yùn)輸包裝成本。

3.2.5 翻蓋造型設(shè)計(jì)

翻蓋造型設(shè)計(jì)(見圖6所示)應(yīng)該說是前幾年手持設(shè)備采用的造型，它通常不能進(jìn)行單手操作，但設(shè)備功能完善，只是用于較單一的場(chǎng)合，翻蓋造型設(shè)計(jì)多用于手機(jī)造型，目前隨著觸摸屏技術(shù)的發(fā)展，逐漸被淘汰。不足便是體積相對(duì)比較大，攜帶還是較為方便。

3.2.6 便攜式手持設(shè)備色彩分析

隨著材料的多樣化發(fā)展，與人們生活制造密切相關(guān)的手持設(shè)備也越來越多的應(yīng)用新材料和新工藝，而在產(chǎn)品的色彩上也變得豐富多彩，手持設(shè)備多種造型色彩搭配見圖7。

由此我們可以看見，偏機(jī)械制造類的手持設(shè)備更傾向于傳統(tǒng)的黑白灰顏色，使其能更加嚴(yán)謹(jǐn)，工業(yè)味十足，匹配各種廠房環(huán)境，而相對(duì)比較“親民”的測(cè)量等技術(shù)含量較高的手持設(shè)備在用色上則顯得更加大膽靈活，彩色的注入使產(chǎn)品本身除了功能之外能起到警示提醒的作用，同時(shí)在色彩上也顯得更加活躍，能吸引人的眼球并讓人覺得人情味十足。

4.便攜式手持設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

便攜式手持設(shè)備一般由防護(hù)套、外殼(內(nèi)含主機(jī))和收發(fā)天線等部分組成，某便攜式設(shè)備典型的結(jié)構(gòu)組成排布如圖8所示。無線信號(hào)檢測(cè)類設(shè)備一般還有收發(fā)天線單元。

便攜式手持設(shè)備主機(jī)一般由四層結(jié)構(gòu)組成：外殼層、顯示及操控層、顯示控制層及信號(hào)處理層，其結(jié)構(gòu)排布如圖9所示。通常便攜式手持設(shè)備還有一些輸入、輸出接口，如充電接口、音頻輸出接口、數(shù)據(jù)傳輸接口等，通常充電接口設(shè)置于主機(jī)下端部，音頻輸出接口及數(shù)據(jù)傳輸接口設(shè)置于主機(jī)上端部。

5.便攜式手持設(shè)備電氣互聯(lián)設(shè)計(jì)

便攜式手持設(shè)備電氣互聯(lián)從結(jié)構(gòu)形態(tài)上分可以分為：動(dòng)態(tài)電氣互聯(lián)和靜態(tài)電氣互聯(lián)。動(dòng)態(tài)電氣互聯(lián)通常指在使用或工作過程狀態(tài)中，便攜式手持設(shè)備組成部分需要旋轉(zhuǎn)或平移，其內(nèi)部電氣互聯(lián)的高頻或低頻接插件也需要同時(shí)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)或平移，即互聯(lián)接插件有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。靜態(tài)電氣互聯(lián)通常指便攜式手持設(shè)備本身是一個(gè)整體或組合體，其內(nèi)部電氣互聯(lián)的高頻或低頻接插件在使用或工作過程狀態(tài)中不需要有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即接插件處于靜止互聯(lián)狀態(tài)。

5.1 靜態(tài)電氣互聯(lián)

便攜式手持設(shè)備內(nèi)部的靜態(tài)電氣互聯(lián)設(shè)計(jì)主要包括低頻信號(hào)互聯(lián)、高頻信號(hào)互聯(lián)和板卡間對(duì)板互聯(lián)，互聯(lián)設(shè)計(jì)主要采用微型連接器來解決，選用具有尺寸小、成本低、性能高微型連接器目的可以節(jié)省安裝空間，因此微型連接器是便攜式產(chǎn)品最佳選擇。

5.1.1 低頻信號(hào)靜態(tài)電氣互聯(lián)設(shè)計(jì)

對(duì)便攜式設(shè)備而言，低頻信號(hào)互聯(lián)設(shè)計(jì)絕大部分采用細(xì)間距柔性印刷電路連接器，柔性印刷電路連接器具有緊密封裝連接的關(guān)鍵特點(diǎn)，柔性印刷電路連接器具有的緊湊尺寸為便攜式設(shè)備設(shè)計(jì)節(jié)省了大量空間。柔性印刷電路連接器常用于信號(hào)處理印板與顯示屏模塊和操作按鍵之間互聯(lián)。柔性印刷電路連接器具有零插入力驅(qū)動(dòng)，可以重復(fù)循環(huán)，磨損極小的特點(diǎn)。柔性印刷電路連接器根據(jù)印制線間距的不同，具有各種細(xì)間距選擇，有推拉式驅(qū)動(dòng)和輕彈式驅(qū)動(dòng)，由預(yù)組裝的蓋子將連接固定在FPC和連接器端子之間。

柔性印刷電路連接器有單面接觸連接和雙面接觸連接兩種，在便攜式設(shè)備設(shè)計(jì)中采用雙面接觸連接器較多，雙面接觸連接器同樣可以節(jié)省空間和價(jià)格，即由于設(shè)備結(jié)構(gòu)的需要，在一個(gè)板上需要采取頂部接觸的方式，在另一個(gè)板上需要采取底部接觸的方式。為了增強(qiáng)便攜式設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性，柔性印刷電路連接器可以設(shè)計(jì)具有獨(dú)特的FPC鎖定，達(dá)到電纜定位和保持的良好效果。

5.1.2 高頻信號(hào)靜態(tài)互聯(lián)設(shè)計(jì)

圖1 便攜式設(shè)備普遍的布局

圖2 傳統(tǒng)平板便攜式設(shè)備

圖3 彎曲式造型設(shè)計(jì)

圖4 棒式造型設(shè)計(jì)

圖5 槍式造型設(shè)計(jì)

便攜式手持設(shè)備高頻信號(hào)互聯(lián)設(shè)計(jì)常采用多針微同軸線對(duì)板連接，多針微同軸線有柔性的和半剛性同軸線。多針微同軸柔性線為了解決屏蔽電磁干擾，常在信號(hào)傳輸線之間可以放置地線或纏繞屏蔽外層，半剛性同軸線自身外帶屏蔽層。因多針微同軸柔性線增加的屏蔽措施會(huì)占據(jù)更多的空間，而半剛同軸線，體積較大，均不利于手持設(shè)備的小型化。

圖6 翻蓋造型設(shè)計(jì)

圖7 多種造型色彩搭配

圖8 便攜式設(shè)備典型的結(jié)構(gòu)排布

圖8 便攜式設(shè)備主機(jī)結(jié)構(gòu)排布

5.1.3 微型板對(duì)板靜態(tài)互聯(lián)設(shè)計(jì)

微型板對(duì)板主要采用微小型板對(duì)板組合連接器具有以下特點(diǎn)：1)低高度－堆疊高度(H)小于1.00mm；2)低深度－窄寬度連接器小于3.00mm；3)小腳跡－連接器的端對(duì)端尺寸(隨電路尺寸而變化)；4)小間距－中心對(duì)中心接觸間距在0.40mm以下，目前連微小型板對(duì)板連接器可以做到更小ns。

組合微型D型連接器可以集成微型低頻接觸件和多個(gè)射頻同軸接觸件（通常采用2個(gè)射頻同軸）。組合微型D型連接器具有高可靠、極小尺寸、重量輕的特點(diǎn)，廣泛用在便攜式產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。

5.2 動(dòng)態(tài)電氣互聯(lián)

便攜式手持設(shè)備內(nèi)部的動(dòng)態(tài)電氣互聯(lián)設(shè)計(jì)同樣主要包括低頻信號(hào)互聯(lián)、高頻信號(hào)互聯(lián)。

5.2.1 低頻信號(hào)動(dòng)態(tài)互聯(lián)設(shè)計(jì)

對(duì)便攜式設(shè)備而言，滑動(dòng)或旋轉(zhuǎn)顯示區(qū)域(如滑蓋手機(jī)、翻蓋手機(jī)和數(shù)碼相機(jī)顯示屏)部位通常傳輸?shù)皖l信號(hào)，通常采用細(xì)間距柔性印刷電路連接器，細(xì)間距柔性印刷電路連接器具有緊密封裝連接的關(guān)鍵特點(diǎn)，為便攜式設(shè)備設(shè)計(jì)節(jié)省了大量空間。柔性印刷電路連接器常用于信號(hào)處理印板與顯示屏模塊、操作按鍵之間互聯(lián)。柔性印刷電路連接器兩端分別固定安裝在設(shè)備靜止部分和設(shè)備運(yùn)動(dòng)部分，設(shè)備使用滑動(dòng)或選裝時(shí)，柔性帶線產(chǎn)生相應(yīng)滑動(dòng)或旋轉(zhuǎn)。這種互聯(lián)，可靠性較低，經(jīng)多次滑動(dòng)或旋轉(zhuǎn)后，帶線容易斷裂。

低頻信號(hào)動(dòng)態(tài)互聯(lián)還可以采用微型多芯同軸鉸鏈來解決旋轉(zhuǎn)部位的運(yùn)動(dòng)，這種互聯(lián)，可靠性較高，但成本較高，安裝較為不便。

常用的帶線運(yùn)動(dòng)的柔性印刷電路連接器也有單面接觸連接和雙面接觸連接兩種，在便攜式設(shè)備設(shè)計(jì)中采用雙面接觸連接器較多，雙面接觸連接器同樣可以節(jié)省空間和價(jià)格。

5.2.2 高頻信號(hào)動(dòng)態(tài)互聯(lián)設(shè)計(jì)

便攜式手持設(shè)備高頻信號(hào)動(dòng)態(tài)互聯(lián)設(shè)計(jì)常采用兩種形式：多針微同軸線柔性電纜和微型旋轉(zhuǎn)鉸鏈連接器，在滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)設(shè)備中，常采用多針微同軸線柔性電纜，同樣為兩段固定安裝在設(shè)備靜止部分和設(shè)備運(yùn)動(dòng)部分，讓多針微同軸線柔性電纜來產(chǎn)生滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)，滑動(dòng)位移有限，占用空間較小。在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)設(shè)備中，常采用微型旋轉(zhuǎn)鉸鏈同軸連接器，同樣為動(dòng)連接器和靜連接器部分分別固定安裝在設(shè)備靜止部分和設(shè)備運(yùn)動(dòng)部分，讓動(dòng)連接器和靜連接器旋轉(zhuǎn)隨設(shè)備進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，微型旋轉(zhuǎn)鉸鏈同軸連接器可以實(shí)現(xiàn)任意方向旋轉(zhuǎn)近360度旋轉(zhuǎn)，一般價(jià)格較貴，體積較大，常用于較大型的便攜設(shè)備上，如移動(dòng)電話、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、筆記本電腦、智能電話和IP網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的旋轉(zhuǎn)鉸鏈/頸脖區(qū)。

6.便攜手持設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)

便攜手持設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外觀主要依賴經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和成熟設(shè)計(jì)，外觀造型方面人性化和美觀性，常常是產(chǎn)品投放市場(chǎng)才知道是否能為消費(fèi)者接受，國外已經(jīng)著手開發(fā)了相關(guān)外觀造型方面人性化、美觀性和操作舒適度的方面的評(píng)估軟件。

便攜設(shè)備功能高度綜合化也是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，越來越多的功能集成在一起，對(duì)超輕量化的便攜設(shè)備而言，大規(guī)模電路的高度集成化和超微小電器互聯(lián)技術(shù)顯得越來越重要。

便攜設(shè)備研制超低功耗電路設(shè)計(jì)和芯片設(shè)計(jì)也是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，同樣存在新型高效散熱材料的研制。

[1]佰特.哈斯克爾.便攜式電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)[M].科學(xué)出版社,2005,06.

[2]陳正浩.電氣互聯(lián)技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].電訊技術(shù),2007(12).

羅道江（1971—），男，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，現(xiàn)供職于西南電子技術(shù)研究所，研究方向：電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。