由于便攜式設(shè)備(如筆記本電腦、便攜式媒體播放器和手機(jī))的爆炸式增長(zhǎng)，硬盤驅(qū)動(dòng)器(hdd)的使用比以往任何時(shí)候都更加廣泛。隨著越來(lái)越多的設(shè)備采用hdd，當(dāng)含有hdd的產(chǎn)品意外掉落時(shí)，保護(hù)hdd免受嚴(yán)重沖擊的需求變得更加迫切。為了提高h(yuǎn)dd在此類事件中的生存能力，必須增強(qiáng)其抗沖擊性。

建立必要的抗沖擊性有兩種方法，主動(dòng)和被動(dòng)。

被動(dòng)方法已經(jīng)使用了很長(zhǎng)時(shí)間;他們只是用吸收沖擊的材料(通常是橡膠或凝膠)來(lái)緩沖設(shè)備。凝膠，往往能夠更好地吸收沖擊，比橡膠使用更廣泛。然而，凝膠不能保護(hù)設(shè)備免受超過(guò)一米的跌落造成的損壞;這就排除了它們?cè)诒銛y式娛樂(lè)設(shè)備中的使用。手機(jī)、MP3播放器、pmp等設(shè)備在跌落超過(guò)1.5米(人耳朵離地面的平均高度)時(shí)需要進(jìn)行防護(hù)。

在主動(dòng)方法中，有兩種保護(hù)hdd的方法。一種方法是增加高速緩存容量，這樣HDD就不會(huì)經(jīng)常處于讀或?qū)懩Ｊ?。這種方法還可以減少電力消耗和加熱。但是，這樣做的成本很高，而且無(wú)法處理如果硬盤在跌落開(kāi)始的瞬間處于讀或?qū)懩Ｊ綍r(shí)可能發(fā)生的影響。第二種方法是使用加速度計(jì)(例如Devices的ADXL320雙軸加速度計(jì)，它測(cè)量軸向加速度)來(lái)檢測(cè)下降，然后產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，導(dǎo)致HDD磁頭被召回到安全區(qū)域。如果這可以在產(chǎn)品撞擊地板或其他固定表面之前發(fā)生，則可以防止磁頭和盤片之間的碰撞。這種方法在IBM于2003年10月發(fā)布的筆記本電腦中首次商業(yè)化使用。

自由落體建模

物體自由落體的最簡(jiǎn)單模型如圖1所示，其中假定落體的Z軸垂直于地球表面。

在圖1(a)中，假設(shè)物體是靜止的，因此沿X軸和Y軸的加速度都為零，因此沿Z軸的力，根據(jù)牛頓第二定律，將具有1 g(32.174英尺/秒/秒在海平面上)的值，對(duì)應(yīng)于由重力引起的靜止加速度力。

在圖1(b)中，允許物體下落。沿著X軸和Y軸的加速度保持不變，為0 g，但現(xiàn)在測(cè)量沿Z軸加速度的加速度計(jì)，被以與被固定物體相同的速度加速，將記錄一個(gè)0 g的值。

圖2顯示了一個(gè)更一般的墜落物體的情況。在這里，立方體的邊在正交坐標(biāo)系下形成任意的角。

在圖2(a)中，物體以廣義任意方向描繪;它的邊相對(duì)于X軸形成角α;β，相對(duì)于Y軸;和γ，關(guān)于Z軸。在零加速度下，各軸傳感器輸出電壓為V(CC) /2。因此，三個(gè)軸的輸出為:

(1)

(1 b)

(1 c)

“靈敏度”是指?jìng)鞲衅髅縢的輸出。對(duì)于ADXL320，當(dāng)電源為+3 V時(shí)，靈敏度為174 mV/g。如果檢測(cè)到的線性加速度方向與坐標(biāo)軸(x, Y或z)的正方向相對(duì)應(yīng)，則其符號(hào)為正，其輸出為V(CC) /2;否則它就是負(fù)的，要減去V(CC) /2。

當(dāng)物體突然下落時(shí)，沿著所有三個(gè)軸的加速度都變?yōu)榱?，因?yàn)闊o(wú)論物體在坐標(biāo)系中的方向如何，沿著任何軸都不會(huì)檢測(cè)到加速度，因?yàn)槿缟纤?，加速度?jì)以與下落物體相同的速度向地球加速。

對(duì)于便攜式設(shè)備，我們還必須考慮可能給予物體的任何角加速度，如圖3所示。

為了簡(jiǎn)化角加速度的計(jì)算，將分析限制在由X軸和Y軸確定的平面內(nèi)，從而簡(jiǎn)化分析。

若角速度為歐姆，旋轉(zhuǎn)r為r，則角加速度(A(C))為:

（2）

因此，沿X和Y軸的角加速度分量為:

(3)

(3 b)

因此，在現(xiàn)實(shí)中，落體將同時(shí)表現(xiàn)出線加速度和角加速度，這是上述各種情況的結(jié)合。

為了計(jì)算物體下落時(shí)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間，從垂直于地球的速度為零開(kāi)始，我們可以根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律使用以下公式:

（4）

h是下落的高度g是重力加速度，32.174英尺/秒/秒。

為了了解對(duì)墜落做出反應(yīng)的可用時(shí)間，我們可以假設(shè)高度為3英尺。利用式(4)，時(shí)間= 432 ms。

一種傳統(tǒng)保護(hù)算法

傳統(tǒng)上，HDD保護(hù)算法基于自由落體建模，如下所述，其中加速度計(jì)中包含的傳感器的輸出可以很容易地被數(shù)字示波器或其他數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)捕獲。

一個(gè)“測(cè)試雪橇”可以使用兩個(gè)ADXL320雙軸加速度計(jì)組裝。加速度計(jì)的軸與X、Y和Z軸對(duì)齊，如圖4所示，從而提供沿X、Y和Z坐標(biāo)的加速度值。(Y(1)輸出是冗余的，不使用。)坐標(biāo)軸的輸出由ADuC832精密微控制器中的12位ADC進(jìn)行采樣，該微控制器將采樣數(shù)據(jù)集成到內(nèi)部8052兼容的核心處理器中。然后，采樣數(shù)據(jù)通過(guò)RS-232接口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行分析。

圖5顯示了兩個(gè)傳感器感知到的響應(yīng)序列。值X和Y由一個(gè)加速度計(jì)提供，值Z和Y1由另一個(gè)加速度計(jì)提供。還需要注意的是，圖表被劃分為四個(gè)連續(xù)的區(qū)間:“靜態(tài)”、“翻轉(zhuǎn)”、“自由落體”和“沖擊”。沿著X軸顯示的采樣間隔由ADC決定，每個(gè)變量的時(shí)鐘為200hz，或者每5毫秒對(duì)每個(gè)變量進(jìn)行一次采樣。y軸刻度表示ADuC832智能傳感器前端的12位ADC提供的值，為所有四個(gè)軸繪制。

測(cè)試雪橇放置在工作臺(tái)的邊緣，使其產(chǎn)生角加速度(如圖4所示)，從而產(chǎn)生如圖5所示的側(cè)翻數(shù)據(jù)。(z軸值，在靜態(tài)模式下顯然不等于零g輸出，是由加速度計(jì)的不平衡安裝引起的。)

當(dāng)雪橇被推離桌子時(shí)，在自由落體期間，這些值在各自的零水平附近都是恒定的，這與上述斷言一致，即在自由落體期間，所有加速度計(jì)的輸出都將是0 - g輸出。

(還要注意，加速度計(jì)沿不同軸在同一時(shí)間間隔內(nèi)的零重力輸出并不完全相同。)

傳統(tǒng)的HDD保護(hù)算法是基于上述排列中獲得的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)沿著物體的X、Y和Z軸監(jiān)測(cè)加速度。如果由式5計(jì)算出的平方根值等于或小于閾值，則向與HDD相關(guān)的計(jì)算機(jī)發(fā)送信號(hào)，使磁頭在便攜式設(shè)備與地板碰撞之前安全停放。

（5）

閾值的選擇取決于具體的響應(yīng)時(shí)間要求，以及傳感器的參數(shù)，如靈敏度、靈敏度隨溫度的變化、工作電壓、噪聲密度、封裝對(duì)準(zhǔn)誤差、傳感器諧振頻率和設(shè)備的工作溫度范圍。通常，閾值可以從實(shí)驗(yàn)中確定，就像上面描述的那樣。例如，設(shè)計(jì)師可能會(huì)選擇0.4 g的閾值。

一種新的差分加速算法

現(xiàn)在讓我們更仔細(xì)地看看圖5中加速圖的行為。如果在翻轉(zhuǎn)間隔期間獲得足夠的信息來(lái)區(qū)分墜落，計(jì)算機(jī)就會(huì)有更多的時(shí)間來(lái)采取保護(hù)措施。事實(shí)上，傳感器輸出在這段時(shí)間內(nèi)確實(shí)變化，但是輸出值不足以直接啟動(dòng)硬盤保護(hù)過(guò)程。

然而，如果形成一個(gè)新的函數(shù)，等于X軸和y軸加速度計(jì)輸出的時(shí)間導(dǎo)數(shù)的平方和(式6)，

（6）

得到的結(jié)果如圖6所示。圖6中繪制的值是基于ADuC832智能傳感器前端12位ADC輸出的計(jì)算結(jié)果。樣本數(shù)同樣以5毫秒的時(shí)間為單位。黑色圖是(dX/dt)(2) + (dY/dt)(2)的瞬時(shí)值，綠色圖是(dZ/dt)(2) + (dY (1)/dt)(2)的瞬時(shí)值。

正如預(yù)期的那樣，時(shí)間導(dǎo)數(shù)的平方和在翻轉(zhuǎn)時(shí)間間隔內(nèi)相當(dāng)大，但在自由落體期間它們變得相當(dāng)小。這種事件序列可以用來(lái)提供墜落發(fā)生的可靠指示。

值得注意的是，我們的研究證實(shí)了兩種加速度計(jì)中的任何一種都可以選擇，因?yàn)樗鼈兲峁┝讼嗨频男袨?。因此，可以任意選擇要監(jiān)測(cè)的傳感器軸。

現(xiàn)在我們可以建立一個(gè)新的測(cè)試算法，標(biāo)記為“微分加速度算法”(式7):

（7）

傳感器輸出時(shí)間差的閾值是下降檢測(cè)的關(guān)鍵，它只與傳感器的靈敏度有關(guān)。例如，對(duì)于ADXL320，閾值可以選擇為200次計(jì)數(shù)(根據(jù)算法使用的數(shù)字比例)。

差分加速算法的實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)差分加速度算法的系統(tǒng)的主要部件是ADXL320雙軸加速度計(jì)、AD8542雙軌放大器和ADuC832智能傳感器前端。系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意圖如圖7所示。

來(lái)自加速度計(jì)的信號(hào)通過(guò)AD8542饋送，AD8542作為加速度計(jì)輸出和ADuC832輸入(ADC0和ADC1)之間的緩沖區(qū)。多路復(fù)用器以每個(gè)通道每秒200個(gè)采樣的速率在兩個(gè)輸入之間切換，連續(xù)監(jiān)測(cè)到達(dá)的加速信號(hào)。

8052微控制器內(nèi)核是ADuC832的一個(gè)組成部分，實(shí)現(xiàn)了如圖8所示的算法。然后，每當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到墜落發(fā)生時(shí)，一般I/O向硬盤驅(qū)動(dòng)器的同伴計(jì)算機(jī)提供警報(bào)信號(hào)，以便硬盤驅(qū)動(dòng)器在撞擊發(fā)生之前安全地停放硬盤驅(qū)動(dòng)器磁頭。

結(jié)論

有人可能會(huì)問(wèn)，三軸傳感器對(duì)硬盤保護(hù)是否必不可少。答案是否定的。如上所述，使用ADXL320雙軸加速度計(jì)，當(dāng)用于實(shí)現(xiàn)上述差分加速度算法的保護(hù)系統(tǒng)時(shí)，*可以很好地執(zhí)行任務(wù)。除了較低的成本，雙軸傳感器方法節(jié)省了空間，降低了功耗。

基于我們構(gòu)建的HDD保護(hù)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)從自由落體發(fā)生的瞬間到警報(bào)信號(hào)產(chǎn)生的時(shí)間為40毫秒，每個(gè)通道采樣率為每秒200個(gè)采樣，傳感器帶寬為100 Hz。為了降低整個(gè)系統(tǒng)的成本，停放硬盤驅(qū)動(dòng)器磁頭所需的時(shí)間不應(yīng)超過(guò)150毫秒。因此，從檢測(cè)到自由落體到完成停車的總時(shí)間不超過(guò)190毫秒。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于便攜式產(chǎn)品從3英尺高處下落所需的432毫秒。

本文描述的算法幾乎適用于上述所有情況。它唯一不能檢測(cè)到的情況是自由落體事件，在自由落體過(guò)程中，在下落發(fā)生的瞬間，所檢測(cè)到的X和Y加速度的平方的時(shí)間導(dǎo)數(shù)仍然可以忽略不計(jì)。但這種情況不大可能發(fā)生，而且根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，這種情況從未發(fā)生過(guò)。

ADXL320 2軸加速度計(jì)

ADXL320是一款低成本，低功耗，雙軸加速度測(cè)量系統(tǒng)，具有信號(hào)調(diào)節(jié)電壓輸出，全部在單個(gè)單片IC上。該產(chǎn)品測(cè)量加速度的滿量程為±5g(典型)。ADXL320封裝在非常薄的4毫米× 4毫米× 1.45毫米16引腳塑料LFCSP中。

該加速度計(jì)包含傳感器和信號(hào)調(diào)理電路，實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)加速度測(cè)量架構(gòu)。輸出信號(hào)是與正交加速度成正比的兩個(gè)電壓。

傳感器是一種多晶硅，表面微機(jī)械結(jié)構(gòu)，建立在硅晶片的頂部。多晶硅彈簧將結(jié)構(gòu)懸浮在晶圓片表面上，并提供抗加速度的阻力。結(jié)構(gòu)的撓度是用一個(gè)由固定的獨(dú)立板相對(duì)于附著在移動(dòng)質(zhì)量上的板形成的差分電容器來(lái)測(cè)量的。

固定板由180°反相的方波驅(qū)動(dòng)。當(dāng)器件受到加速力時(shí)，光束偏轉(zhuǎn)，使差分電容失去平衡，從而產(chǎn)生振幅與加速度成正比的輸出方波。相敏解調(diào)電路，包含在解調(diào)模塊在插圖中，然后用于整流信號(hào)和確定是否加速度是正或負(fù)。

解調(diào)器沿著ADXL320的X軸和Y軸測(cè)量的加速度由輸出放大器放大，并通過(guò)32-k歐姆電阻帶離芯片，如圖所示。外部電容器可用來(lái)提供濾波。

ADXL低加速度計(jì)選擇表第1部分

ADXL低加速度計(jì)選擇表第2部分

*傳感器帶寬由客戶在應(yīng)用程序中設(shè)置。

參考電路

(1) Naoki川。“技術(shù)分析:手機(jī)硬盤可以承受1.5米的跌落。”日經(jīng)電子亞洲，2005年1月。

*已申請(qǐng)專利。

致謝

作者要感謝Harvey Weinberg和Christophe Lemaire的技術(shù)專長(zhǎng)。作者還要感謝Justin Littlefield和Steve Grossman在撰寫(xiě)本文時(shí)提供的幫助。