概念阶段 – 初始CAD设计

本期开源笔记本项目开发日志将引导您了解早期概念和头脑风暴阶段。第一步是收集终端设备的想法和需求，并尽可能将它们简化为一个初步草案。在这个阶段，不需要过多关注技术细节——这是关于打下基础，即创建一个可以在后续步骤中细分和完善的框架。

让我们开始吧。（你需要一支笔和一张纸）。

概述需求

写下系统的功能和美观需求，以便在下一步中更容易进行可视化，并为早期产品规格提供基础。在企业环境中，需求是由市场研究和需求分析驱动的。

由于这个项目是首创，我无法依赖客户反馈或对笔记本市场的深入了解。所提议的笔记本的设计标准主要是基于个人的想法、经验和研究。

以下几点是我希望在最终系统中反映的关键技术方面：

• 薄而轻的外形；

• 重量小于1.6kg；

• 整体厚度小于20mm 13英寸；

• 外形因素；

• 日常使用情况下无需USB-C转接头/适配器；

• 至少三个全尺寸USB-A端口，笔记本的两侧各至少有一个端口；

• 全尺寸HDMI端口 3.5mm耳机插孔；

• 全尺寸SD卡槽 通过USB-C充电，两侧均有充电能力的端口；

• 机械和模块化键盘，可以轻松更换不同或自定义布局；

• 多触摸触控板 网络摄像头和麦克风可以在硬件中启用/禁用；

• WiFi和蓝牙功能；

• 至少350尼特屏幕亮度；

• 盖子的开启角度至少140°；

• 设备底部没有冷却空气进口；

• 易于维修和升级组件，如电池、屏幕、内存、存储、WiFi/蓝牙卡和主板；

• 较新的x86 CPU；

• 与Win10/Win11良好兼容的性能；

• 全铝或部分铝制外壳，以获得高端外观和手感以及良好的刚性。

上述列表中缺少了一些重要参数。这些参数的优先级较低，将在下一阶段的概念和设计中解决。虽然上述内容应反映一个理想的系统，而不过分强调技术细节，但由于其开源性质，该项目仍然面临一些硬性限制。

许多部件及其相关文档——尤其是在消费电子行业中——只能在严格的保密协议（NDA）和原始设备制造商（OEM）合同下获得。在未先探索哪些选项适用于开放硬件项目的情况下，预先指定这些部件和相关参数是徒劳的。很多这样的探索将与本项目并行进行，以避免造成太多延误。

第一个CAD模型

在概念阶段早期创建视觉呈现有助于推动创造性过程。初步的CAD模型还有助于识别将在下一步中需要时间和注意力的主要设计挑战。我使用直接建模工具Spacelcaim Engineer来创建我的早期草图和生产CAD模型。

记住需求列表，我已经下载了适用于笔记本电脑应用的连接器的一系列3D CAD模型。这些CAD模型可在零件供应商的网站上获得。

对于第一张草图，我在以下制造商的在线目录和3D模型库中进行了搜索：

• Würth Elektronik;

• Molex;

• TE Connectivity;

• Amphenol CS;

• ACES Electronics;

• LOTES CO.,LTD;

• GCT.

放置和间隔连接器

将连接器及相应的切口放在笔记本电脑的侧面似乎很简单，对吧？

需求列表中已经指定了所需的接口，现在只是要将它们均匀地排列并方便地访问——至少这是初衷。

从确定哪些接口放在后面以及哪些连接器更靠近笔记本电脑前面的较简单步骤开始。我之所以进行这项任务，是为了将所有在单次使用周期中一次或两次连接的“静态”接口排列在笔记本电脑的后部。这样做是为了在连接像USB棒这样的设备时不会有任何电缆挡道——这在使用中很容易发生多次。如果所有的“静态”电缆都排列在设备的后部，就可以轻松避免因USB棒卡在滤波器铁氧体或类似情况下而意外拔出电缆的情况。

首先，“静态”连接列表上的是USB-C连接器，这些连接器很可能用于充电或连接到扩展坞。在这两种情况下，这些接口在您开始使用设备时连接一次。

列表上的第二个是HDMI连接器。没有扩展坞的情况下，HDMI连接器很可能是永久设置的一部分，不需要在单次使用期间多次连接。USB-A端口或SD卡槽可能在一次会话中多次使用，因此它们被安排在笔记本电脑的前部，这样连接的设备不会干扰充电或显示器线缆。

连接器在CAD模型后期版本上的布局

现在是时候决定连接器之间应该相隔多远了。这一点之所以重要，最容易用一个展示了所有读者都熟悉的情况的图片来概括：

这种情况可能非常烦人。当然，这些冲突通常出现在无法仅通过将电缆重新连接到其他端口来解决的配置中。在上面的例子中，要么USB存储器工作，要么屏幕工作——但两者不可能同时进行。

有人可能会争辩说，这种情况不太可能出现，特别是因为所展示的例子使用了两个非常大的连接器的极端情况。虽然这可能是真的，但也有人可能会争辩说，只需用你的私人USB线缆收藏和你可能在日常工作中使用的线缆，就可能遇到上述问题。这可能是一个并不罕见的情况。

市场上有如此多样化的连接器过模和外壳可供选择，人们可能会认为，指定这些关键机械特性的最大尺寸是个好主意。这不仅适用于USB Type A，也适用于USB-C、HDMI、DisplayPort等。

在USB.org的文档库中，我们可以找到一种名为“电缆和连接器规范”的文档类型。这些文档适用于USB Type-C电缆和USB Type-A电缆。机械规格的一部分是应用于相应连接器的最大过模尺寸。在USB Type-A接口处，最大过模宽度应等于或小于16mm。

然而，许多制造商并不遵守该建议，这使得正确指定连接器间距变得有些困难。

因为依据规范文档不是一个选项，我选择获取更大的实体USB电缆和USB电缆的3D模型样本集。然后，我手动测量了最大尺寸。

有一个庞大的工程师和设计师社区——例如在3DcontentCentral或GrabCad上——他们分享他们的精彩3D模型。我也扫描了这些库以及制造商网站，寻找适合我的应用的各种连接器和电缆的3D模型。然后，我将所有这些数据集与手动测量结果合并到一个CAD文件中。结果是为笔记本电脑项目中使用的每个配对连接器创建了一个最大边界框。

通过这种方法，我相当有信心不会遇到相邻连接器之间的碰撞问题。

基于3D模型和手动测量创建的边界框模型的截图

回到笔记本电脑本身的概念3D模型。我按照上述系统安排了连接器。以下截图显示了连接器放置的第一次迭代。注意，这些连接器之间的间距仍然太小。这在机械设计中后来进行了更新。

笔记本电脑概念的首个CAD模型

在将外部接口的理想位置确定下来之后，我开始安排内部关键组件，以评估有多少空间可用。在此过程中，我试图识别哪些组件对确定最终系统的高度至关重要。我在概念阶段想要弄清楚的另一个重要方面是，有什么可行的方案可以创建一个冷却解决方案，而不需要从系统底部吸入冷空气。

在这个阶段，我仍然主要依赖制造商的CAD模型来保持设计时间最小化。使用的3D模型不一定反映最终部件，而是作为3D概念建模的占位符或视觉辅助。

大致安排笔记本电脑内部组件后，得到了以下CAD模型：

CAD模型截图，显示内部组件的粗略布局

在上述草图中，设备右前角显示了一块绿色的PCB，有四个SMA连接器从笔记本电脑的侧面伸出。我想探索提供一个空插槽的想法，该插槽可用于自定义电子项目。由于额外的复杂性和增加的空间需求，我不得不在下一步中遗憾地省略了这种方法。然而，有一种解决方案可以以不同的方式允许定制——在下次更新中将有更多介绍！

键盘

现在，要完成笔记本电脑下半部分的草案，所缺少的就是一个机械键盘了。机械键盘具有几个优点，使其在这个项目中非常吸引人：

• 比薄膜键盘有更好的外观和手感/打字体验；

• 有多种开关可供选择；

• 更容易定制和修理；

• 易于原型制作。

缺点包括：

• 昂贵；

• 由于较大的开关行程增加了厚度，因此需要更多的空间。

Cherry MX和Kailh在其产品阵容中都有一款超低轮廓SMD键盘开关，适用于此应用。开关在非触发状态下的总高度为3.5mm。键帽本身再增加0.6mm高度。键盘PCB厚度为1.2mm，键盘组件在Z轴上占用了5.3mm。市场上大多数13英寸轻薄笔记本的厚度约为15mm。仅键盘组件就会占用我们案例中Z维度可用空间的三分之一。在键盘下方集成必要的电子设备将是一个主要的设计挑战。

以一个代表性的键盘开关3D模型为基础，首个键盘草图被布局并集成到系统草图中：

CAD模型草图的顶视图

笔记本外壳的透明视图显示了到目前为止草图中的主要组件。四个13.3Wh的LiPo电池单元放置在触摸板下方。在电池系统旁边的右侧，分配了一些空间给自定义电子扩展仓。

键盘下方的空间被主板和CPU冷却器占据。

CAD模型草图的线框视图

屏幕

为了完成系统草图，剩下的就是笔记本盖和显示面板。在首个草图中，我选择了一个分辨率为1920x1080的面板。在这个分辨率下，有许多具有相似外形尺寸的面板，价格低廉。这使得更换面板或在面板停产时更换面板制造商变得更加容易。16:9的宽高比对于移动设备应用来说并不理想，这就是为什么这个面板后来在过程中被更换为更高分辨率的3:2屏幕。

我选择的面板作为机械表示是Innolux N133HCG-G52。这个面板的数据手册很容易找到，且这个面板的外形尺寸相当流行。我根据面板的数据手册图纸建模了一个代表性的3D模型：

截图显示了带有机械图纸覆盖的显示面板3D模型

整合一切

现在大部分子组件的草图都已准备好，我们可以将一切整合起来，预览第一版草案。

为此，我正在使用Blender 3D。Blender是一个免费且开源的工具，用于3D建模、渲染、动画、视频编辑等更多功能。Blender内部的强大基于节点的渲染引擎，使得产品渲染或概念可视化设置变得简单。

将笔记本电脑的机械概念以.OBJ格式导出，允许我们将这些CAD数据导入到Blender中。导出时，会创建一个带有.MTL扩展名的材料库文件，与对象文件一起。Blender使用这个材料库文件为导入的网格对象分配默认材料。这些默认材料可以修改，以表示关联对象所需的外观。

分配相应的材料后，概念草案的第一次可视化完成：

笔记本概念的第一版渲染草图，展示了键盘和屏幕

笔记本概念的第一版渲染草图，展示了盖子的背面

这标志着开源笔记本项目第一版机械草案的设置完成！

我们将使用这个CAD模型作为起点，为即将到来的设计迭代做准备，这些设计迭代将考虑我们在第一阶段故意忽略的所有技术方面。

在这个初稿阶段，我们能够提取一些重要信息：

• 键盘下方的空间非常有限。在第一版CAD模型中，我们只有大约3 - 4mm的可用空间可以利用；

• 放置在笔记本电脑侧面的连接器不能向笔记本内部突出超过15mm，否则它们会与键盘组件发生碰撞。这对可以使用的连接器和安装类型施加了一些限制；

• 扬声器只能安装在电池背面的左右两侧，声音输出朝向笔记本的侧面或底部；

• 为笔记本上使用的所有接口创建了连接器碰撞模型。

初稿完成后，我们可以深入探讨整个设计的更多技术方面。

请继续关注下一阶段，我们将更仔细地查看笔记本电脑的实际构造，以及一些非常有用的仿真工具，我们可以使用这些工具来评估设计的机械完整性。