使用雙軸加速度計保護硬盤驅動器

作者：Wenshuai Liao and Yiming Zhao

由于筆記本電腦、便攜式媒體播放器 （PMP） 和手機等便攜式設備的引入呈爆炸式增長，硬盤驅動器 （HDD） 的使用比以往任何時候都更廣泛。隨著越來越多的設備采用 HDD，當包含 HDD 的產(chǎn)品意外掉落時，保護它們免受嚴重沖擊所產(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的能力，必須增強其抗沖擊性。

有兩種方法可以建立必要的抗沖擊性，主動和被動。

被動方法已經(jīng)使用了很長時間;它們只是用沖擊吸收材料緩沖設備，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，凝膠不能保護設備免受超過一米的跌落造成的損壞;這排除了它們在便攜式娛樂設備中的使用。手機、MP3 播放器和 PMP 等設備需要保護跌落超過 1.5 米（人耳離地面的平均高度）。

在主動方法中，有兩種保護 HDD 的替代方案。一種是增加緩存容量，以便HDD處于讀取或寫入模式的頻率降低。這種方法還可以減少功耗和發(fā)熱。但它的成本很高，并且無法處理如果 HDD 在跌落開始時處于讀取或寫入模式時可能發(fā)生的影響。第二種方法是使用加速度計（例如ADI公司的ADXL320雙軸加速度計，用于測量軸向加速度）來檢測跌落，然后生成信號，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單模型，其中假設下落物體的 Z 軸垂直于地球表面。

圖1.自由落體模型的特殊情況 - 加速度限制在單個軸上。

在圖 1（a） 中，假設物體是靜止的，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），對應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)在測量沿 Z 軸加速度的加速度計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，立方體的邊相對于正交坐標系形成任意角度。

圖2.廣義自由落體模型 - 沿所有三個軸的加速度分量。

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

“靈敏度”是指傳感器每克的輸出。對于ADXL320，采用+3 V供電時，靈敏度為174 mV/g。如果檢測到的線性加速度的方向與坐標軸的正方向（X、Y 或 Z）相對應，則其符號將為正，其輸出將添加到V抄送/2;否則它將是負數(shù)，并將減去V抄送/2.

當物體突然下降時，沿所有三個軸的加速度變?yōu)榱悖驗闊o論物體與坐標系的方向如何，都不會沿任何軸檢測到加速度，因為如上所述，加速度計以與下落物體相同的速度向地球加速。

對于便攜式設備，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。

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

如果角速度為 ω，旋轉半徑為 R，則角加速度 （一個C） 是：

(2)

因此，沿 X 軸和 Y 軸的角加速度分量為：

（一）

（3b）

因此，實際上，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。

為了計算物體下落時經(jīng)過的時間，從下落瞬間垂直于地球的速度為零開始，我們可以使用以下基于牛頓第二運動定律的方程：

(4)

其中 h 是墜落的高度，g 是重力加速度，32.174 英尺/秒/秒。

為了了解可用于應對跌倒的時間，我們可以假設高度為 3 英尺。使用公式（4），時間= 432 ms。

一種傳統(tǒng)的保護算法

傳統(tǒng)上，HDD保護算法基于自由落體建模，如下所述，其中加速度計中包含的傳感器的輸出可以通過數(shù)字示波器或其他數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)輕松捕獲。

“測試滑板”可以使用兩個ADXL320雙軸加速度計組裝。加速度計的軸與 X、Y 和 Z 軸對齊，如圖 4 所示，從而提供沿 X、Y 和 Z 坐標的加速度值。（Y1輸出是冗余的，不使用。坐標軸的輸出由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)并將其饋送到內部8052兼容內核處理器。然后，采樣數(shù)據(jù)通過RS-232接口傳輸?shù)接嬎銠C進行分析。

圖4.測試雪橇。

圖5顯示了兩個傳感器感測的響應序列。值 X 和 Y 由一個加速度計提供，值 Z 和 Y1 由另一個加速度計提供。另請注意，該圖分為四個連續(xù)的間隔，標記為：“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，每個變量的時鐘頻率為200 Hz，或每個變量每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，繪制了所有四個軸。

圖5.傳統(tǒng)保護算法 — 加速度計感知的響應序列。

測試雪橇放置在工作臺邊緣并使其翻滾，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，是由加速度計的不平衡安裝引起的。

當雪橇被推離桌子時，在這個自由落體-下降間隔內，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，所有加速度計的輸出都將是零g輸出。

（另請注意，在同一時間間隔內沿不同軸的加速度計的零g輸出并不完全相同。

傳統(tǒng)的HDD保護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)視對象沿 X、Y 和 Z 軸的加速度。如果從公式5計算的平方根和值等于或小于閾值，則會向與HDD關聯(lián)的計算機發(fā)送信號，使磁頭在便攜式設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時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、封裝對準誤差、傳感器諧振頻率和設備的工作溫度范圍。通常，閾值可以通過實驗來確定，如上述實驗。例如，設計人員可以選擇 0.4 g 的閾值。

一種新的差分加速度算法

現(xiàn)在，讓我們更仔細地看一下圖 5 中加速度圖的行為。如果在翻轉間隔期間獲得足夠的信息來區(qū)分跌倒，那么計算機將有更多的時間用于保護措施。事實上，傳感器輸出在該時間間隔內確實會發(fā)生變化，但輸出值不夠明顯，無法直接啟動 HDD 保護過程。

但是，如果形成一個新函數(shù)，等于X軸和Y軸加速度計輸出的時間導數(shù)的平方和（公式6），

獲得的結果如圖6所示。圖6所示值是基于ADuC12智能傳感器前端832位ADC輸出的計算結果。樣本編號再次以 5 毫秒的時間增量顯示。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-時間導數(shù)圖 （dX/dt)2 + (dY/dt)2和（dZ/dt)2 + (dY1/dt)2.

正如預期的那樣，時間導數(shù)的平方和在翻轉時間間隔內相當大，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，我們的研究證實可以選擇兩個加速度計中的任何一個，因為它們提供類似的行為。因此，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試算法，稱為“差分加速度算法”（公式7）：

傳感器輸出的時差閾值是跌落檢測的關鍵，僅與傳感器的靈敏度有關。例如，對于ADXL320，閾值可以選擇為200個計數(shù)（根據(jù)算法使用的數(shù)標度）。

實現(xiàn)差分加速度算法

實現(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)的簡化原理圖如圖7所示。

圖7.硬盤保護硬件系統(tǒng)的簡化示意圖。

來自加速度計的信號通過AD8542饋送，AD832用作加速度計輸出與ADuC0輸入ADC1和ADC200之間的緩沖器。多路復用器以每秒 <> 個樣本的速度在兩個輸入之間切換，持續(xù)監(jiān)控到達的加速度信號。

8052微控制器內核是ADuC832的一個元件，實現(xiàn)了圖8所示的算法。然后，每當系統(tǒng)檢測到發(fā)生跌落時，常規(guī) I/O 都會向 HDD 的配套計算機發(fā)出警報信號，以便 HDD 在發(fā)生撞擊之前安全地停放硬盤驅動器磁頭。

圖8.差分加速算法—硬盤保護流程圖。

結論

有人可能會問三軸傳感器對于HDD保護是否必不可少。答案是否定的。如上所述，在實現(xiàn)上述差分加速度算法*的保護系統(tǒng)中使用ADXL320雙軸加速度計可以很好地完成任務。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。

基于我們構建的HDD保護系統(tǒng)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)從自由落體發(fā)生的瞬間到警報信號產(chǎn)生之間的響應時間為40毫秒，每通道采樣率為每秒200個樣本，傳感器帶寬為100 Hz。停放硬盤驅動器磁頭所需的時間不應超過 150 毫秒，以降低整個系統(tǒng)的成本。因此，從檢測到的自由落體到完成停車的總時間不超過 190 毫秒。這遠遠小于便攜式產(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。它無法檢測到的唯一情況是自由落體事件，其中在墜落發(fā)生瞬間檢測到的X和Y加速度的平方的時間導數(shù)在自由落體下降期間可以忽略不計。但這不太可能，而且根據(jù)我們的經(jīng)驗，它從未發(fā)生過。

ADXL320 2軸加速度計

ADI公司的ADXL320是一款低成本、低功耗、雙軸加速度測量系統(tǒng)，具有信號調理電壓輸出，全部集成在單個單芯片IC上。該產(chǎn)品測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。

加速度計包含一個傳感器和信號調理電路，以實現(xiàn)開環(huán)加速度測量架構。輸出信號是兩個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構。多晶硅彈簧將結構懸掛在晶圓表面上，并提供對加速力的抵抗力。結構的撓度是使用由固定獨立板相對于附著在移動質量上的板形成的差分電容器來測量的。

固定板由異相180°的方波驅動。當器件受到加速力時，光束會偏轉，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，圖示解調器模塊中包含的相敏解調電路用于整流信號并確定加速度是正還是負。

解調器沿ADXL320的X軸和Y軸測得的加速度由輸出放大器放大，并通過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