便携式手持设备结构设计综述

西南电子技术研究所 罗道 江

便携式手持设备结构设计综述

西南电子技术研究所 罗道 江

重点介绍对便携式手持设备结构设计：主要包括外观造型设计和内部互联设计两个方面。文章综合论述几种典型便携式手持设备外观造型优缺点及其使用场合，并总结了便携式手持设备结构布局及电气互联的经验，借鉴这些经验有效提高了便携式手持设备设计效率。

造型设计；结构设计；互联技术

1.引言

随着人们对便携式的和手持设备的市场需求不断增加，为了能够在具有较高功能的前提下，拥有小型化、轻型化和高性能的器件，使用裸管芯产品的多芯片封装的益处就非常明显。于是开发设计和组装技术面临着新的挑战，人们关注采用比传统的表面贴装器件更低的成本，来获取比芯片上系统解决方案更快的进入市场的时间。使这些先进的封装技术得以实现的因素是依赖芯。

2.便携式手持设备产品分类

便携式设备按照功能和使用环境分为两大类：娱乐类和工具类。

2.1 娱乐类

智能手机和手提电脑之类的移动手持设备，智能手机是一种运算能力及功能比传统手机更强的手机。

2.2 工具类

工具类的手持设备则概括为以下几部分：

数据采集器：如条码手持终端，手持终端采集器，手持式条码数据终端、数据采集终端等等。

手持采集设备是提供给巡查人员使用的一个便携式小型查询系统，它通过无线通讯的方式与监测器组成的系统相连，通过查询监测器当前的工作状况(故障电流、线路节点参数等)，来实现对故障点的准确定位。

IC卡手持终端：集成接触式/非接触式IC卡读写功能的手持终端称为IC卡手持终端，又称手持IC卡终端，手持IC卡读写器、手持式IC卡数据采集器等等。

手持指纹采集终端：手持指纹采集终端是指集成了指纹采集、比对功能的手持终端。

抄表机，抄表机：用于公用事业(水、电、气、以后还会有暖气)抄表用的手持终端。用于电力抄表的抄表机通常集成电力红外功能。

3.便携式手持设备外观造型设计

3.1 便携式设备面板布局

手持设备跟其他工业设备最大的区别就在于它的便携式和较强的可操作性，下面我们以图片来说明便携式设备普遍的布局形式见图1。

可以看到，手持设备一般按人机操作可分为：检测接触区域，显示区域，操作区域，手握区域和外部接口区域。

3.2 手持检测设备的造型特性

由于目前的各类产品越来越多的考虑人性化设计，那么人员使用非常频繁的手持设备也不例外，下面我们从传统的到比较新颖的造型来分析它们各自的优缺点。

3.2.1 传统平板式设计

传统平板便携式设备(见图2)在造型上比较保守，它的优点是从功能出发考虑设计，更富有工业感，造型上能保持中庸，不会太容易过时，但也不会太时尚，在制造上则更加节约模具的成本，更有利于批量生产，在使用环境上则更加多样化，能适应更多不同的场合，缺点则是亲和力相对比较缺乏，造型比较单一，缺乏市场竞争力。

3.2.2 弯曲式造型设计

相比起传统的平板设计，弯曲式造型设计(见图3)则更加考虑人性化，这种设计唯一与传统的区别在于考虑到人手握把手的时候触觉的舒适度，使人在使用起来更加的舒适。它的不足则是造型上工业感略差，更加贴近一般的日用使用产品类型。

3.2.3 棒式造型设计

比起前两种手持设备，这种棒式造型设计(见图4)可以说是有比较大的突破，它的优点是设计采用更符合人机的长把手设计，数据采集面更大。人在使用时觉得更加轻便，整体长条造型的设计使人单手即能操作，不足的地方是这种方式的设计便决定它的功能有局限性，不能设置更多的按键及输入设备模块，因为那样会使得操作极为不便，因此这种造型设计一般应用于能单手操作的检测设备比较多。

3.2.4 枪式造型设计

枪式造型设计(见图5所示)应该说是结合了前面几种手持设备的所有优点，它不仅能单手操作，而且功能完善，能应用于多种场合，枪式的造型设计不仅能满足功能的需求，同时也非常人性化，在造型上也突破比较大，显得酷而大气，唯一的不足便是体积相对比较大，在携带方面会相对不太方便。增加运输包装成本。

3.2.5 翻盖造型设计

翻盖造型设计(见图6所示)应该说是前几年手持设备采用的造型，它通常不能进行单手操作，但设备功能完善，只是用于较单一的场合，翻盖造型设计多用于手机造型，目前随着触摸屏技术的发展，逐渐被淘汰。不足便是体积相对比较大，携带还是较为方便。

3.2.6 便携式手持设备色彩分析

随着材料的多样化发展，与人们生活制造密切相关的手持设备也越来越多的应用新材料和新工艺，而在产品的色彩上也变得丰富多彩，手持设备多种造型色彩搭配见图7。

由此我们可以看见，偏机械制造类的手持设备更倾向于传统的黑白灰颜色，使其能更加严谨，工业味十足，匹配各种厂房环境，而相对比较“亲民”的测量等技术含量较高的手持设备在用色上则显得更加大胆灵活，彩色的注入使产品本身除了功能之外能起到警示提醒的作用，同时在色彩上也显得更加活跃，能吸引人的眼球并让人觉得人情味十足。

4.便携式手持设备结构设计

便携式手持设备一般由防护套、外壳(内含主机)和收发天线等部分组成，某便携式设备典型的结构组成排布如图8所示。无线信号检测类设备一般还有收发天线单元。

便携式手持设备主机一般由四层结构组成：外壳层、显示及操控层、显示控制层及信号处理层，其结构排布如图9所示。通常便携式手持设备还有一些输入、输出接口，如充电接口、音频输出接口、数据传输接口等，通常充电接口设置于主机下端部，音频输出接口及数据传输接口设置于主机上端部。

5.便携式手持设备电气互联设计

便携式手持设备电气互联从结构形态上分可以分为：动态电气互联和静态电气互联。动态电气互联通常指在使用或工作过程状态中，便携式手持设备组成部分需要旋转或平移，其内部电气互联的高频或低频接插件也需要同时进行旋转或平移，即互联接插件有相对运动。静态电气互联通常指便携式手持设备本身是一个整体或组合体，其内部电气互联的高频或低频接插件在使用或工作过程状态中不需要有相对运动，即接插件处于静止互联状态。

5.1 静态电气互联

便携式手持设备内部的静态电气互联设计主要包括低频信号互联、高频信号互联和板卡间对板互联，互联设计主要采用微型连接器来解决，选用具有尺寸小、成本低、性能高微型连接器目的可以节省安装空间，因此微型连接器是便携式产品最佳选择。

5.1.1 低频信号静态电气互联设计

对便携式设备而言，低频信号互联设计绝大部分采用细间距柔性印刷电路连接器，柔性印刷电路连接器具有紧密封装连接的关键特点，柔性印刷电路连接器具有的紧凑尺寸为便携式设备设计节省了大量空间。柔性印刷电路连接器常用于信号处理印板与显示屏模块和操作按键之间互联。柔性印刷电路连接器具有零插入力驱动，可以重复循环，磨损极小的特点。柔性印刷电路连接器根据印制线间距的不同，具有各种细间距选择，有推拉式驱动和轻弹式驱动，由预组装的盖子将连接固定在FPC和连接器端子之间。

柔性印刷电路连接器有单面接触连接和双面接触连接两种，在便携式设备设计中采用双面接触连接器较多，双面接触连接器同样可以节省空间和价格，即由于设备结构的需要，在一个板上需要采取顶部接触的方式，在另一个板上需要采取底部接触的方式。为了增强便携式设备的环境适应性，柔性印刷电路连接器可以设计具有独特的FPC锁定，达到电缆定位和保持的良好效果。

5.1.2 高频信号静态互联设计

图1 便携式设备普遍的布局

图2 传统平板便携式设备

图3 弯曲式造型设计

图4 棒式造型设计

图5 枪式造型设计

便携式手持设备高频信号互联设计常采用多针微同轴线对板连接，多针微同轴线有柔性的和半刚性同轴线。多针微同轴柔性线为了解决屏蔽电磁干扰，常在信号传输线之间可以放置地线或缠绕屏蔽外层，半刚性同轴线自身外带屏蔽层。因多针微同轴柔性线增加的屏蔽措施会占据更多的空间，而半刚同轴线，体积较大，均不利于手持设备的小型化。

图6 翻盖造型设计

图7 多种造型色彩搭配

图8 便携式设备典型的结构排布

图8 便携式设备主机结构排布

5.1.3 微型板对板静态互联设计

微型板对板主要采用微小型板对板组合连接器具有以下特点：1)低高度－堆叠高度(H)小于1.00mm；2)低深度－窄宽度连接器小于3.00mm；3)小脚迹－连接器的端对端尺寸(随电路尺寸而变化)；4)小间距－中心对中心接触间距在0.40mm以下，目前连微小型板对板连接器可以做到更小ns。

组合微型D型连接器可以集成微型低频接触件和多个射频同轴接触件（通常采用2个射频同轴）。组合微型D型连接器具有高可靠、极小尺寸、重量轻的特点，广泛用在便携式产品设计中。

5.2 动态电气互联

便携式手持设备内部的动态电气互联设计同样主要包括低频信号互联、高频信号互联。

5.2.1 低频信号动态互联设计

对便携式设备而言，滑动或旋转显示区域(如滑盖手机、翻盖手机和数码相机显示屏)部位通常传输低频信号，通常采用细间距柔性印刷电路连接器，细间距柔性印刷电路连接器具有紧密封装连接的关键特点，为便携式设备设计节省了大量空间。柔性印刷电路连接器常用于信号处理印板与显示屏模块、操作按键之间互联。柔性印刷电路连接器两端分别固定安装在设备静止部分和设备运动部分，设备使用滑动或选装时，柔性带线产生相应滑动或旋转。这种互联，可靠性较低，经多次滑动或旋转后，带线容易断裂。

低频信号动态互联还可以采用微型多芯同轴铰链来解决旋转部位的运动，这种互联，可靠性较高，但成本较高，安装较为不便。

常用的带线运动的柔性印刷电路连接器也有单面接触连接和双面接触连接两种，在便携式设备设计中采用双面接触连接器较多，双面接触连接器同样可以节省空间和价格。

5.2.2 高频信号动态互联设计

便携式手持设备高频信号动态互联设计常采用两种形式：多针微同轴线柔性电缆和微型旋转铰链连接器，在滑动运动设备中，常采用多针微同轴线柔性电缆，同样为两段固定安装在设备静止部分和设备运动部分，让多针微同轴线柔性电缆来产生滑动运动，滑动位移有限，占用空间较小。在旋转运动设备中，常采用微型旋转铰链同轴连接器，同样为动连接器和静连接器部分分别固定安装在设备静止部分和设备运动部分，让动连接器和静连接器旋转随设备进行旋转运动，微型旋转铰链同轴连接器可以实现任意方向旋转近360度旋转，一般价格较贵，体积较大，常用于较大型的便携设备上，如移动电话、数字摄像机、笔记本电脑、智能电话和IP网络摄像机的旋转铰链/颈脖区。

6.便携手持设备结构设计发展趋势

便携手持设备结构设计外观主要依赖经验设计和成熟设计，外观造型方面人性化和美观性，常常是产品投放市场才知道是否能为消费者接受，国外已经着手开发了相关外观造型方面人性化、美观性和操作舒适度的方面的评估软件。

便携设备功能高度综合化也是一个发展趋势，越来越多的功能集成在一起，对超轻量化的便携设备而言，大规模电路的高度集成化和超微小电器互联技术显得越来越重要。

便携设备研制超低功耗电路设计和芯片设计也是一个发展趋势，对结构设计而言，同样存在新型高效散热材料的研制。

[1]佰特.哈斯克尔.便携式电子产品设计与开发[M].科学出版社,2005,06.

[2]陈正浩.电气互联技术的现状及发展趋势[J].电讯技术,2007(12).

罗道江（1971—），男，大学本科，高级工程师，现供职于西南电子技术研究所，研究方向：电子设备结构设计。