人机界面设计必知：开关选择方法揭秘

Carling Technologies成立于1920年，是一家大型电气设备制造商，为寻求领先的工程师和产品设计师提供了大量实用指导。

开关通常是产品设计师在设计人机界面时所做的最重要的设计决策。

基本情况：在电路中的性能

如果询问设计工程师项目的关键限制条件是什么，他们回答的两个首要关键限制因素是成本与时间。

通常这两个因素都受到制约，但在按预算准时交付的需求背后是对性能的假设。对道路与非道路动力应用中的电气开关而言，这甚至更困难。

这一过程始于开关的主要功能—电路性能：

•开关是直接还是间接控制负载？

•开关是否会控制交流、直流或脉冲直流电流？

•开关电流是否会遭受瞬间峰值或异常浪涌电流？

•开关电容和内阻是一个因素吗？

对于探究操作控制站或控制台的设计开关的工程师而言，这些问题在原理图或功能方框图中并未凸显出来。设计工程师必须与电路设计师密切合作，以确保指定开关符合整个安全性能范围。由于有其他车载系统（包括通信设备和汽油发动机中火花点火系统的电感传感器）的缘故，因此，范围可能包括RFI屏蔽。

这说起来容易，但面板和控制台设计师很少有人懂电路开发。因此，指定开关的工程师有责任与电路设计团队密切合作，清楚界定正常模式和潜在故障模式下的性能参数，以缩小选择范围。

对照检查表确认适合面板设计的可用开关以及考虑成本是控制台/HMI设计师面临的第二个主要挑战。

因此，Carling Technologies建议在设计阶段尽早联系开关供应商。像Carling这样有能力的供应商不但拥有广泛可用的在线技术数据库，而且还让工程师可加快了选择过程。

面板中的性能

对于电气工程师或电路设计师而言，开关是一个原理图符号；但对于系统或机械工程师而言，开关是涉及到体积、质量和引出线/接头布局相关以及其它属性的实体装置。虽然“DPDT，12A，12VDC”是基本的原理图规范，但机械工程师或系统设计师也考虑到了人为因素问题。这些性能问题通常包括：

•开关是什么类型的？是拨动开关、跷板开关、旋转开关还是按键开关？是触摸感应式开关还是可重配置开关？

•预计工作温度可达到多少？振动和冲击呢？

•开关是否会受潮/被浸泡/被冲洗？开关是否会接触化学品、灰尘或冰？

虽然后两条是可靠性因素，但不同制造商对可靠性和服务的定义不同。许多人采信现有标准组织（例如：ASTM和SAE），并要求开关制造商提供相应的认证文件。

在此情况下，开关供应商的经验和可靠性至关重要。对于OEM应用，客户可能会要求进行初始认证，质保（QA）流程可能需要每年甚至每批货都附上“证书”。

除了QA认证外，用户还可能要求独立公认第三方的认证。UL/CSA是北美著名的认证机构，在一定程度与欧盟EN标准协调一致。德国的TuV和VDE标准在西方世界也得到了广泛的认可。在某些市场（例如：欧盟），还必须考虑停止生产的产品考量因素。

例如，开关是否经过RoHS认证？这不仅仅关乎汞；如今即使是镀镉低碳钢内部零件也是一个问题，这也是设计师如今必须考虑的众多因素之一。

产品是否会在全球销售？如果不会，将来的销售范围是否会发生变化？如果发生这种情况，按照全球标准重新认证电子元件的费用是多少？如此而言，从一开始就选择经过交叉批准认证的开关是有道理的。

对于道路上使用的公路设备，开关可能需要取得特定认证，例如协调CE标志。在每种情况下，设计工程师都需要知道装置的潜在销售市场。

即便不需要第三方认证，但这能否替代昂贵的内部测试？使用第三方认证的开关能否为产品增加感知价值或体现独特的销售主张？即使不需要经认证的开关，但指定经认证的开关仍可显现制造和市场营销的意义。

开关供应商能否可提供经全球认证的产品？在质量方面，开关供应商能否提供满足内部质保和最终用户要求的文件？这是一个关键的考虑因素，也是一个开关定价因素。通常，成本最低的开关很少或几乎没有配套文件或可追溯性。

衡量可靠性有一个简单的方法，即要求在开关预期使用寿命期限内不出现任何故障，以开关周期来度量。在某些应用中，可能需要达到平均无故障时间（通常以运行时数表示）。

此外，选择开关最好从供应商开始，考虑可靠性至关重要。使用寿命长、可靠性高的开关自然更昂贵，预算有限的指定工程师（基本上每个工程师的预算都有限）可通过合理MTBF或可靠性参数来降低成本，扩大开关的选择范围。

对于有多个潜在故障问题的复杂系统，很容易提出过多可靠性要求。但从系统方法来看，对每个节点电路故障概率的统计分析表明，其他系统（例如：线束或连接器）可能需要符合更严格的可靠性规范，因此，可使用成本较低的开关设备。整体系统的可靠性非常重要；为控制台/驾驶舱开关设备增加两个数量级的更精准的故障概率可能非但不必要且成本也高。

另一种解决方案是管理开关故障以降低成本。使用现场易更换的开关的面板设计时，设计师可使用成本较低的开关来实现整体系统的可靠性目标。如果产品设计要求是操作面板或控制台的现场可维护性，则开关接入设计可能已经准备就绪。

适合用户的性能

在这点上，设计师可能有一个简短的开关列表，其中的开关可在电路中使用且达到所需可靠性等级。尽管开关是最基本形式的HMI，但只要将操作员纳入系统考量因素中，就必须考虑另一组参数。典型问题包括：

•您的操作员可方便地驱动开关吗？操作员是否需在驱动开关时查看开关？操作员会戴手套吗？操作员会处于高振动环境中吗？

•操作员是否需要确认开关驱动？是否需要处于坚固准确的位置？是否接通照明？

•开关是否是多开关板的一部分？开关是直接还是间接被照亮？应该控制亮度吗？操作员是否有夜视问题？

•安全关键功能需要专用开关吗？某些开关是否应带锁或加以防护？

•阻燃性和安全故障模式是安全要求吗？开关必须让开路失效吗？操作员是否会无意地断开开关？

虽然这些属于功能上的考虑，但大多数设计师面对的是竞争激烈的市场。开关不仅仅要可靠发挥功能；也必须为操作员创造一个有效率的工作环境，并为整个系统增加感知价值水平。

例如，安装在不方便操作的位置或太靠近其他控件的小开关可能具有出色性能，但在重型设备中则不合适。相反，传统拨动开关或跷板开关可能无法给高科技的计算机化设备带来21世纪的气息。

在昂贵、高科技设备的控制站和控制台上，开关板固定板、照明颜色和亮度以及多语言、标准化开关符号这些都是重要的小细节。从工程设计角度来看，正确的开关对销售和使用设备的人而言可能却是错误的开关。

可制造性设计

在这一点上，设计工程师可能很清楚要如何选择，但制造呢？如果无法在装配线上高效地将开关组装到面板中，则会浪费组件的高性能和低成本优势。

在第二次世界大战之前，通常选择采用外圈和锁紧螺母，通过半英寸冲孔，在钢板面板上安装拨动开关。令人惊讶的是，如今仍有人如选择这么做，但很少有现代设计师会考虑在批量应用中使用缓慢又容易出错的技术。开关的标准安装方式是手动嵌入或通过面板自动嵌入而无需使用紧固件，通过矩形孔安装到冲压或注塑面板中。矩形安装孔可确保对齐，避免旋转，并方便面板设计师以适中的成本进行加工。

对于多开关板，整体模块通常是适合批量应用的最低成本选择，并通过使用简易连接器和更简单、更轻的线束来节省成本。

影响控件设计工具的相同成本压力也影响着电气系统的其余部分，而多路复用技术—特别是通过诸如SAEJ1939和NMEA等通信协议—允许使用更简单、更轻的线束。对于控件设计工具而言，多路复用技术虽增加了复杂度，但实际上简化了面板问题，基本上可无限选择定制或现成的控制模块，这些模块采用带有自定义图形和照明的触摸板。

如此选择的一个优势是能更好地掌控现代汽车的外观和感觉，在严苛的工作应用中发挥较高性能。但如果选用多路复用系统，则在设计过程尽早考虑供应商选择要求，这条准则尤其正确。对于这些更加复杂的系统，开关供应商常常会在产品开发过程中成为供应商/合作伙伴。

选择正确的开关供应商›

由于选择过程与开关一样复杂，因此本文仅探讨了OEM制造商的潜在问题。选择合适的开关供应商不再是采购部门的问题；相反，智能设计工程师通常会在产品开发阶段尽早伸出援手，并挖掘利用合格供应商的工程专业知识。

经历这种协作开发后，越来越多的定制开关和模块可能无法从多个供应商获取。多个设计工程师都需要面临采购和生产经理的挑战，他们不同意必要组件的单一采购。

但单位成本不是系统成本，具备专业知识和工程设计深度的开关供应商可大幅节省上市时间和制造成本，这通常会使单个组件的单位成本成为次要考虑因素。

有一些制造商已将供应商资格认证程序标准化，但仍有许多制造商没有这样做，但在选择开关供应商时，这些制造商应提出一些基本问题：

•供应商是否有内部工程设计专业知识？

•供应商能否帮助OEM工程设计团队进行产品设计？

•供应商是否提供了多种应对设计问题的解决方案？

•供应商是否提供第三方认证产品？

•供应商能否向OEM质保部门提供证书和批次可追溯性？

•供应商是否有内部生产？

•供应商需要多长时间来开发和交付产品？

•供应商可将生产量提高到要求的量吗？