使用雙軸加速度計(jì)保護(hù)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器

作者：Wenshuai Liao and Yiming Zhao

由于筆記本電腦、便攜式媒體播放器 （PMP） 和手機(jī)等便攜式設(shè)備的引入呈爆炸式增長(zhǎng)，硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器 （HDD） 的使用比以往任何時(shí)候都更廣泛。隨著越來(lái)越多的設(shè)備采用 HDD，當(dāng)包含 HDD 的產(chǎn)品意外掉落時(shí)，保護(hù)它們免受嚴(yán)重沖擊所產(chǎn)生的沖擊的需求變得更加緊迫。為了提高 HDD 在此類事件中幸存下來(lái)的能力，必須增強(qiáng)其抗沖擊性。

有兩種方法可以建立必要的抗沖擊性，主動(dòng)和被動(dòng)。

被動(dòng)方法已經(jīng)使用了很長(zhǎng)時(shí)間;它們只是用沖擊吸收材料緩沖設(shè)備，1通常是橡膠或凝膠。凝膠往往能夠更好地吸收沖擊力，比橡膠更廣泛地使用。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 播放器和 PMP 等設(shè)備需要保護(hù)跌落超過(guò) 1.5 米（人耳離地面的平均高度）。

在主動(dòng)方法中，有兩種保護(hù) HDD 的替代方案。一種是增加緩存容量，以便HDD處于讀取或?qū)懭肽Ｊ降念l率降低。這種方法還可以減少功耗和發(fā)熱。但它的成本很高，并且無(wú)法處理如果 HDD 在跌落開(kāi)始時(shí)處于讀取或?qū)懭肽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ADI公司的ADXL320雙軸加速度計(jì)，用于測(cè)量軸向加速度）來(lái)檢測(cè)跌落，然后生成信號(hào)，使HDD磁頭被召回安全區(qū)域。如果這可能在產(chǎn)品撞擊地板或其他固定表面之前發(fā)生，則可以防止頭部和盤(pán)片之間的碰撞。這種方法首次在IBM于2003年<>月發(fā)布的筆記本電腦中商用。

自由落體建模

圖 1 描繪了物體自由落體的最簡(jiǎn)單模型，其中假設(shè)下落物體的 Z 軸垂直于地球表面。

圖1.自由落體模型的特殊情況 - 加速度限制在單個(gè)軸上。

在圖 1（a） 中，假設(shè)物體是靜止的，因此沿 X 軸和 Y 軸的加速度均為零，因此沿牛頓第二定律支配的 Z 軸的力的值為 1 g（海平面為 32.174 英尺/秒/秒），對(duì)應(yīng)于重力引起的靜止加速度力。

在圖1（b）中，物體被允許下落。沿 X 軸和 Y 軸的加速度保持不變，為零 g，但現(xiàn)在測(cè)量沿 Z 軸加速度的加速度計(jì)以與其固定的物體相同的速率加速，將記錄零 g 的值。

墜落物體的更一般情況如圖 2 所示。在這里，立方體的邊相對(duì)于正交坐標(biāo)系形成任意角度。

圖2.廣義自由落體模型 - 沿所有三個(gè)軸的加速度分量。

在圖 2（a） 中，物體以廣義的任意方向描繪;它的邊緣相對(duì)于 X 軸形成α角;β，相對(duì)于Y軸;和γ，相對(duì)于 Z 軸。在零g加速度下，每個(gè)軸傳感器的電壓輸出為V抄送/2.因此，三個(gè)軸的輸出將是：

“靈敏度”是指?jìng)鞲衅髅靠说妮敵觥?duì)于ADXL320，采用+3 V供電時(shí)，靈敏度為174 mV/g。如果檢測(cè)到的線性加速度的方向與坐標(biāo)軸的正方向（X、Y 或 Z）相對(duì)應(yīng)，則其符號(hào)將為正，其輸出將添加到V抄送/2;否則它將是負(fù)數(shù)，并將減去V抄送/2.

當(dāng)物體突然下降時(shí)，沿所有三個(gè)軸的加速度變?yōu)榱悖驗(yàn)闊o(wú)論物體與坐標(biāo)系的方向如何，都不會(huì)沿任何軸檢測(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施加給物體的任何角加速度，如圖3所示。

圖3.下落物體的角加速度。

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

如果角速度為 ω，旋轉(zhuǎn)半徑為 R，則角加速度 （一個(gè)C） 是：

(2)

因此，沿 X 軸和 Y 軸的角加速度分量為：

（一）

（3b）

因此，實(shí)際上，下落體將表現(xiàn)出線性加速度和角加速度，這是上面討論的各種情況的組合。

為了計(jì)算物體下落時(shí)經(jīng)過(guò)的時(shí)間，從下落瞬間垂直于地球的速度為零開(kāi)始，我們可以使用以下基于牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律的方程：

(4)

其中 h 是墜落的高度，g 是重力加速度，32.174 英尺/秒/秒。

為了了解可用于應(yīng)對(duì)跌倒的時(shí)間，我們可以假設(shè)高度為 3 英尺。使用公式（4），時(shí)間= 432 ms。

一種傳統(tǒng)的保護(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通過(guò)數(shù)字示波器或其他數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)輕松捕獲。

“測(cè)試滑板”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。（Y1輸出是冗余的，不使用。坐標(biāo)軸的輸出由ADuC12精密模擬微控制器中包含的832位ADC采樣，該ADC集成采樣數(shù)據(jù)并將其饋送到內(nèi)部8052兼容內(nèi)核處理器。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4.測(cè)試雪橇。

圖5顯示了兩個(gè)傳感器感測(cè)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。另請(qǐng)注意，該圖分為四個(gè)連續(xù)的間隔，標(biāo)記為：“靜態(tài)”、“翻滾”、“自由落體下降”和“沖擊”。沿X軸顯示的采樣間隔由ADC確定，每個(gè)變量的時(shí)鐘頻率為200 Hz，或每個(gè)變量每5毫秒采樣一次。Y軸刻度表示ADuC12智能傳感器前端中832位ADC提供的值，繪制了所有四個(gè)軸。

圖5.傳統(tǒng)保護(hù)算法 — 加速度計(jì)感知的響應(yīng)序列。

測(cè)試雪橇放置在工作臺(tái)邊緣并使其翻滾，施加角加速度（如圖 4 所示），產(chǎn)生圖 5 所示的翻轉(zhuǎn)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)，在這個(gè)自由落體-下降間隔內(nèi)，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)的輸出都將是零g輸出。

（另請(qǐng)注意，在同一時(shí)間間隔內(nèi)沿不同軸的加速度計(jì)的零g輸出并不完全相同。

傳統(tǒng)的HDD保護(hù)算法是基于剛才描述的安排中獲得的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)監(jiān)視對(duì)象沿 X、Y 和 Z 軸的加速度。如果從公式5計(jì)算的平方根和值等于或小于閾值，則會(huì)向與HDD關(guān)聯(lián)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車。

(5)

閾值的選擇取決于特定的響應(yīng)時(shí)間要求以及傳感器的參數(shù)，例如靈敏度、溫度引起的靈敏度變化、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，閾值可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定，如上述實(shí)驗(yàn)。例如，設(shè)計(jì)人員可以選擇 0.4 g 的閾值。

一種新的差分加速度算法

現(xiàn)在，讓我們更仔細(xì)地看一下圖 5 中加速度圖的行為。如果在翻轉(zhuǎn)間隔期間獲得足夠的信息來(lái)區(qū)分跌倒，那么計(jì)算機(jī)將有更多的時(shí)間用于保護(hù)措施。事實(shí)上，傳感器輸出在該時(shí)間間隔內(nèi)確實(shí)會(huì)發(fā)生變化，但輸出值不夠明顯，無(wú)法直接啟動(dòng) HDD 保護(hù)過(guò)程。

但是，如果形成一個(gè)新函數(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（公式6），

獲得的結(jié)果如圖6所示。圖6所示值是基于ADuC12智能傳感器前端832位ADC輸出的計(jì)算結(jié)果。樣本編號(hào)再次以 5 毫秒的時(shí)間增量顯示。黑色圖是（dX/dt）2 + （dY/dt）2，綠色圖是 （dZ/dt 的逐刻值）)2 + (dY1/dt)2.

圖6.差分加速度算法-時(shí)間導(dǎo)數(shù)圖 （dX/dt)2 + (dY/dt)2和（dZ/dt)2 + (dY1/dt)2.

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，但在自由落體下降期間它們變得非常小。這一系列事件可用于提供跌倒發(fā)生的可靠指示。

重要的是要注意，我們的研究證實(shí)可以選擇兩個(gè)加速度計(jì)中的任何一個(gè)，因?yàn)樗鼈兲峁╊愃频男袨椤Ｒ虼?，要監(jiān)控的傳感器軸的選擇可以是任意的。

我們現(xiàn)在可以建立一種新的測(cè)試算法，稱為“差分加速度算法”（公式7）：

傳感器輸出的時(shí)差閾值是跌落檢測(cè)的關(guān)鍵，僅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個(gè)計(jì)數(shù)（根據(jù)算法使用的數(shù)標(biāo)度）。

實(shí)現(xiàn)差分加速度算法

實(shí)現(xiàn)差分加速度算法的系統(tǒng)的主要元件是雙軸加速度計(jì)ADXL320、雙通道軌到軌放大器AD8542和智能傳感器前端ADuC832。該系統(tǒng)的簡(jiǎn)化原理圖如圖7所示。

圖7.硬盤(pán)保護(hù)硬件系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意圖。

來(lái)自加速度計(jì)的信號(hào)通過(guò)AD8542饋送，AD832用作加速度計(jì)輸出與ADuC0輸入ADC1和ADC200之間的緩沖器。多路復(fù)用器以每秒 <> 個(gè)樣本的速度在兩個(gè)輸入之間切換，持續(xù)監(jiān)控到達(dá)的加速度信號(hào)。

8052微控制器內(nèi)核是ADuC832的一個(gè)元件，實(shí)現(xiàn)了圖8所示的算法。然后，每當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到發(fā)生跌落時(shí)，常規(guī) I/O 都會(huì)向 HDD 的配套計(jì)算機(jī)發(fā)出警報(bào)信號(hào)，以便 HDD 在發(fā)生撞擊之前安全地停放硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器磁頭。

圖8.差分加速算法—硬盤(pán)保護(hù)流程圖。

結(jié)論

有人可能會(huì)問(wèn)三軸傳感器對(duì)于HDD保護(hù)是否必不可少。答案是否定的。如上所述，在實(shí)現(xiàn)上述差分加速度算法*的保護(hù)系統(tǒng)中使用ADXL320雙軸加速度計(jì)可以很好地完成任務(wù)。除了降低成本外，雙軸傳感器方法還節(jié)省了空間并降低了功耗。

基于我們構(gòu)建的HDD保護(hù)系統(tǒng)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)從自由落體發(fā)生的瞬間到警報(bào)信號(hào)產(chǎn)生之間的響應(yīng)時(shí)間為40毫秒，每通道采樣率為每秒200個(gè)樣本，傳感器帶寬為100 Hz。停放硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器磁頭所需的時(shí)間不應(yīng)超過(guò) 150 毫秒，以降低整個(gè)系統(tǒng)的成本。因此，從檢測(cè)到的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)品下降 432 英尺所需的 3 毫秒。

本文中描述的算法幾乎適用于上述所有情況。它無(wú)法檢測(cè)到的唯一情況是自由落體事件，其中在墜落發(fā)生瞬間檢測(cè)到的X和Y加速度的平方的時(shí)間導(dǎo)數(shù)在自由落體下降期間可以忽略不計(jì)。但這不太可能，而且根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，它從未發(fā)生過(guò)。

ADXL320 2軸加速度計(jì)

ADI公司的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)理電壓輸出，全部集成在單個(gè)單芯片IC上。該產(chǎn)品測(cè)量加速度的滿量程范圍為 ±5 g（典型值）。ADXL320采用超薄4 mm×4 mm×1.45 mm、16引腳塑料LFCSP封裝。

加速度計(jì)包含一個(gè)傳感器和信號(hào)調(diào)理電路，以實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)加速度測(cè)量架構(gòu)。輸出信號(hào)是兩個(gè)與正交加速度成比例的模擬電壓。

該傳感器是建立在硅晶圓頂部的多晶硅表面微加工結(jié)構(gòu)。多晶硅彈簧將結(jié)構(gòu)懸掛在晶圓表面上，并提供對(duì)加速力的抵抗力。結(jié)構(gòu)的撓度是使用由固定獨(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。

固定板由異相180°的方波驅(qū)動(dòng)。當(dāng)器件受到加速力時(shí)，光束會(huì)偏轉(zhuǎn)，使差分電容器失去平衡，從而產(chǎn)生幅度與加速度成正比的輸出方波。然后，圖示解調(diào)器模塊中包含的相敏解調(diào)電路用于整流信號(hào)并確定加速度是正還是負(fù)。

解調(diào)器沿ADXL320的X軸和Y軸測(cè)得的加速度由輸出放大器放大，并通過(guò)32 kΩ電阻帶離片外，如圖所示。外部電容器可用于提供濾波。

審核編輯：郭婷