由于便攜式設備(如筆記本電腦、便攜式媒體播放器和手機)的爆炸式增長，硬盤驅動器(hdd)的使用比以往任何時候都更加廣泛。隨著越來越多的設備采用hdd，當含有hdd的產(chǎn)品意外掉落時，保護hdd免受嚴重沖擊的需求變得更加迫切。為了提高hdd在此類事件中的生存能力，必須增強其抗沖擊性。

建立必要的抗沖擊性有兩種方法，主動和被動。

被動方法已經(jīng)使用了很長時間;他們只是用吸收沖擊的材料(通常是橡膠或凝膠)來緩沖設備。凝膠，往往能夠更好地吸收沖擊，比橡膠使用更廣泛。然而，凝膠不能保護設備免受超過一米的跌落造成的損壞;這就排除了它們在便攜式娛樂設備中的使用。手機、MP3播放器、pmp等設備在跌落超過1.5米(人耳朵離地面的平均高度)時需要進行防護。

在主動方法中，有兩種保護hdd的方法。一種方法是增加高速緩存容量，這樣HDD就不會經(jīng)常處于讀或寫模式。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，而且無法處理如果硬盤在跌落開始的瞬間處于讀或寫模式時可能發(fā)生的影響。第二種方法是使用加速度計(例如Devices的ADXL320雙軸加速度計，它測量軸向加速度)來檢測下降，然后產(chǎn)生一個信號，導致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，對應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)在測量沿Z軸加速度的加速度計，被以與被固定物體相同的速度加速，將記錄一個0 g的值。

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

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

(1)

(1 b)

(1 c)

“靈敏度”是指傳感器每g的輸出。對于ADXL320，當電源為+3 V時，靈敏度為174 mV/g。如果檢測到的線性加速度方向與坐標軸(x, Y或z)的正方向相對應，則其符號為正，其輸出為V(CC) /2;否則它就是負的，要減去V(CC) /2。

當物體突然下落時，沿著所有三個軸的加速度都變?yōu)榱悖驗闊o論物體在坐標系中的方向如何，沿著任何軸都不會檢測到加速度，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給予物體的任何角加速度，如圖3所示。

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

若角速度為歐姆，旋轉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)實中，落體將同時表現(xiàn)出線加速度和角加速度，這是上述各種情況的結合。

為了計算物體下落時所經(jīng)過的時間，從垂直于地球的速度為零開始，我們可以根據(jù)牛頓第二運動定律使用以下公式:

（4）

h是下落的高度g是重力加速度，32.174英尺/秒/秒。

為了了解對墜落做出反應的可用時間，我們可以假設高度為3英尺。利用式(4)，時間= 432 ms。

一種傳統(tǒng)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“測試雪橇”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。(Y(1)輸出是冗余的，不使用。)坐標軸的輸出由ADuC832精密微控制器中的12位ADC進行采樣，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RS-232接口傳輸?shù)接嬎銠C進行分析。

圖5顯示了兩個傳感器感知到的響應序列。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。還需要注意的是，圖表被劃分為四個連續(xù)的區(qū)間:“靜態(tài)”、“翻轉”、“自由落體”和“沖擊”。沿著X軸顯示的采樣間隔由ADC決定，每個變量的時鐘為200hz，或者每5毫秒對每個變量進行一次采樣。y軸刻度表示ADuC832智能傳感器前端的12位ADC提供的值，為所有四個軸繪制。

測試雪橇放置在工作臺的邊緣，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，是由加速度計的不平衡安裝引起的。)

當雪橇被推離桌子時，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，所有加速度計的輸出都將是0 - g輸出。

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

傳統(tǒng)的HDD保護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)測加速度。如果由式5計算出的平方根值等于或小于閾值，則向與HDD相關的計算機發(fā)送信號，使磁頭在便攜式設備與地板碰撞之前安全停放。

（5）

閾值的選擇取決于具體的響應時間要求，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，閾值可以從實驗中確定，就像上面描述的那樣。例如，設計師可能會選擇0.4 g的閾值。

一種新的差分加速算法

現(xiàn)在讓我們更仔細地看看圖5中加速圖的行為。如果在翻轉間隔期間獲得足夠的信息來區(qū)分墜落，計算機就會有更多的時間來采取保護措施。事實上，傳感器輸出在這段時間內(nèi)確實變化，但是輸出值不足以直接啟動硬盤保護過程。

然而，如果形成一個新的函數(shù)，等于X軸和y軸加速度計輸出的時間導數(shù)的平方和(式6)，

（6）

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

正如預期的那樣，時間導數(shù)的平方和在翻轉時間間隔內(nèi)相當大，但在自由落體期間它們變得相當小。這種事件序列可以用來提供墜落發(fā)生的可靠指示。

值得注意的是，我們的研究證實了兩種加速度計中的任何一種都可以選擇，因為它們提供了相似的行為。因此，可以任意選擇要監(jiān)測的傳感器軸。

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

（7）

傳感器輸出時間差的閾值是下降檢測的關鍵，它只與傳感器的靈敏度有關。例如，對于ADXL320，閾值可以選擇為200次計數(shù)(根據(jù)算法使用的數(shù)字比例)。

差分加速算法的實現(xiàn)

實現(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、AD8542雙軌放大器和ADuC832智能傳感器前端。系統(tǒng)的簡化示意圖如圖7所示。

來自加速度計的信號通過AD8542饋送，AD8542作為加速度計輸出和ADuC832輸入(ADC0和ADC1)之間的緩沖區(qū)。多路復用器以每個通道每秒200個采樣的速率在兩個輸入之間切換，連續(xù)監(jiān)測到達的加速信號。

8052微控制器內(nèi)核是ADuC832的一個組成部分，實現(xiàn)了如圖8所示的算法。然后，每當系統(tǒng)檢測到墜落發(fā)生時，一般I/O向硬盤驅動器的同伴計算機提供警報信號，以便硬盤驅動器在撞擊發(fā)生之前安全地停放硬盤驅動器磁頭。

結論

有人可能會問，三軸傳感器對硬盤保護是否必不可少。答案是否定的。如上所述，使用ADXL320雙軸加速度計，當用于實現(xiàn)上述差分加速度算法的保護系統(tǒng)時，*可以很好地執(zhí)行任務。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。

基于我們構建的HDD保護系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)從自由落體發(fā)生的瞬間到警報信號產(chǎn)生的時間為40毫秒，每個通道采樣率為每秒200個采樣，傳感器帶寬為100 Hz。為了降低整個系統(tǒng)的成本，停放硬盤驅動器磁頭所需的時間不應超過150毫秒。因此，從檢測到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。它唯一不能檢測到的情況是自由落體事件，在自由落體過程中，在下落發(fā)生的瞬間，所檢測到的X和Y加速度的平方的時間導數(shù)仍然可以忽略不計。但這種情況不大可能發(fā)生，而且根據(jù)我們的經(jīng)驗，這種情況從未發(fā)生過。

ADXL320 2軸加速度計

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(diào)節(jié)電壓輸出，全部在單個單片IC上。該產(chǎn)品測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。

該加速度計包含傳感器和信號調(diào)理電路，實現(xiàn)開環(huán)加速度測量架構。輸出信號是與正交加速度成正比的兩個電壓。

傳感器是一種多晶硅，表面微機械結構，建立在硅晶片的頂部。多晶硅彈簧將結構懸浮在晶圓片表面上，并提供抗加速度的阻力。結構的撓度是用一個由固定的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180°反相的方波驅動。當器件受到加速力時，光束偏轉，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，然后用于整流信號和確定是否加速度是正或負。

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

ADXL低加速度計選擇表第1部分

ADXL低加速度計選擇表第2部分

*傳感器帶寬由客戶在應用程序中設置。

參考電路

(1) Naoki川?！凹夹g分析:手機硬盤可以承受1.5米的跌落?！比战?jīng)電子亞洲，2005年1月。

*已申請專利。

致謝

作者要感謝Harvey Weinberg和Christophe Lemaire的技術專長。作者還要感謝Justin Littlefield和Steve Grossman在撰寫本文時提供的幫助。