由于便攜式設(shè)備（如膝上型計(jì)算機(jī)，便攜式媒體播放器（PMP）和手機(jī)）的引入爆炸性增長(zhǎng)，硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器（HDD）的使用比以往任何時(shí)候都廣泛。隨著越來(lái)越多的設(shè)備裝有HDD，當(dāng)包含硬盤(pán)的產(chǎn)品意外掉落時(shí)，保護(hù)它們免受?chē)?yán)重撞擊產(chǎn)生的沖擊的需求變得越來(lái)越迫切。為了提高HDD抵御此類(lèi)事件的能力，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，即主動(dòng)和被動(dòng)。
被動(dòng)方法已經(jīng)使用了很長(zhǎng)時(shí)間。它們只是用吸收沖擊的材料（通常是橡膠或凝膠1）來(lái)緩沖設(shè)備。趨于更好地吸收沖擊的凝膠比橡膠被更廣泛地使用。但是，凝膠不能保護(hù)設(shè)備免受因跌落超過(guò)一米而造成的損壞。這排除了它們?cè)诒銛y式娛樂(lè)設(shè)備中的使用。需要保護(hù)手機(jī)，MP3播放器和PMP等設(shè)備的跌落高度超過(guò)1.5米（人耳在地面上方的平均高度）。
在有效的方法中，有兩種保護(hù)HDD的方法。一種是增加高速緩存存儲(chǔ)器的容量，以使HDD更少地處于讀或?qū)懩Ｊ?。這種方法還將減少功耗和發(fā)熱。但這是昂貴的，并且無(wú)法解決如果跌落開(kāi)始時(shí)HDD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)（例如可測(cè)量軸向加速度的Analog Devices ADXL320雙軸加速度計(jì)）來(lái)檢測(cè)跌落，然后生成一個(gè)信號(hào)，使HDD磁頭被調(diào)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，則可以防止打印頭和盤(pán)片之間發(fā)生碰撞。這種方法最早是在2003年10月由IBM發(fā)布的筆記本電腦中商業(yè)使用的。
建模自由落體
物體自由下落的最簡(jiǎn)單模型如圖1所示，其中下落物體的Z軸被假定為垂直于地球表面。
圖1
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和Y軸的加速度均為零，因此沿牛頓第二定律控制的沿Z軸的力的值為1 g（在海平面上為32.174英尺/秒/秒），對(duì)應(yīng)于由于重力而產(chǎn)生的固定加速力。
在圖1（b）中，允許物體掉落。沿X和Y軸的加速度保持不變，為零g，但是現(xiàn)在測(cè)量沿Z軸的加速度的加速度計(jì)，以與其固定的對(duì)象相同的速率被加速度，將記錄為零g。
圖2顯示了下落物體的更一般情況。此處，立方體的邊緣相對(duì)于正交坐標(biāo)系形成任意角度。
圖2
圖2.通用自由落體模型-沿所有三個(gè)軸的加速度分量。
在圖2（a）中，以廣義的任意方向描繪了對(duì)象；它的邊緣相對(duì)于X軸成角度α；相對(duì)于Y軸為β；相對(duì)于Z軸為γ。在零克加速度，各軸傳感器的電壓輸出是V CC / 2。因此，三個(gè)軸的輸出將是：
式1a
（1a）
式1b
（1b）
式1c
（1c）
“靈敏度”是指每克傳感器的輸出。對(duì)于ADXL320，當(dāng)采用+3 V供電時(shí)，靈敏度將為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，并且其輸出將加到V CC / 2；否則，它的輸出將為V CC / 2。否則它將為負(fù)，并且將從V CC / 2中減去。
當(dāng)物體突然掉落時(shí)，沿所有三個(gè)軸的加速度都變?yōu)榱?，這是因?yàn)?，不管物體相對(duì)于坐標(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)正在向地球加速與墜落物體的速度相同。
對(duì)于便攜式設(shè)備，我們還必須考慮可能施加到物體上的任何角加速度，如圖3所示。
圖3
圖3.墜落物體的角加速度。
為了簡(jiǎn)化角加速度的計(jì)算，將分析限制在由X軸和Y軸確定的平面上，從而簡(jiǎn)化了分析。
如果角速度為ω并且旋轉(zhuǎn)半徑為R，則角加速度（A C）為：
方程式2
(2)
因此，沿X和Y軸的角加速度的分量將為：
式3a
（3a）
式3b
（3b）
因此，實(shí)際上，下落物體將同時(shí)表現(xiàn)出線性加速度和角加速度，這是上述各種情況的組合。
為了計(jì)算物體從墜落時(shí)垂直于地球的零速度開(kāi)始?jí)嬄渌?jīng)過(guò)的時(shí)間，我們可以基于牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律使用以下方程式：
等式4
(4)
其中h是跌倒的高度，g是重力加速度，為32.174英尺/秒/秒。
為了了解可用于響應(yīng)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毫秒。
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，數(shù)字示波器或其他數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)可以輕松捕獲加速度計(jì)中包含的傳感器的輸出。
可以使用兩個(gè)ADXL320雙軸加速度計(jì)來(lái)組裝“測(cè)試臺(tái)” 。如圖4所示，加速度計(jì)的軸與X，Y和Z軸對(duì)齊，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，并且不使用。）坐標(biāo)軸的輸出由ADuC832精密模擬微控制器中包含的12位ADC采樣，該微控制器集成采樣數(shù)據(jù)并將其饋送到內(nèi)部兼容8052的內(nèi)核處理器。然后將采樣的數(shù)據(jù)通過(guò)RS-232接口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)以進(jìn)行分析。
圖4
圖4.測(cè)試底座。
圖5顯示了兩個(gè)傳感器感測(cè)到的響應(yīng)順序。值X和Y由一個(gè)加速度計(jì)提供，值Z和Y1由另一加速度計(jì)提供。還要注意，該圖分為四個(gè)連續(xù)的時(shí)間間隔，分別標(biāo)記為：“靜態(tài)”，“翻轉(zhuǎn)”，“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，或者每5毫秒以每個(gè)變量的一個(gè)采樣頻率計(jì)時(shí)。Y軸刻度表示在所有四個(gè)軸上繪制的ADuC832智能變送器前端中的12位ADC傳遞的值。
圖5
圖5.傳統(tǒng)保護(hù)算法-加速度計(jì)感應(yīng)到的響應(yīng)順序。
如圖4所示，放置在桌子邊緣并使其翻轉(zhuǎn)的測(cè)試滑板產(chǎn)生角加速度，如圖5所示，產(chǎn)生的翻轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)如圖5所示。（Z軸值顯然不等于靜態(tài)模式下的零g輸出是由于加速度計(jì)的不平衡安裝引起的。）
當(dāng)將滑板從桌子上推下時(shí)，在該自由落體下降間隔期間，其值在各自的零水平附近均保持恒定，這與上述斷言：在自由落體期間所有加速度計(jì)的輸出將為零-g一致。輸出。
（另請(qǐng)注意，加速度計(jì)在相同時(shí)間間隔內(nèi)沿不同軸的零重力輸出并不完全相同。）
傳統(tǒng)的硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器保護(hù)算法基于剛剛描述的配置中獲得的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)監(jiān)視沿對(duì)象的X，Y和Z軸的加速度。如果根據(jù)等式5計(jì)算的平方根均方根值等于或小于閾值，則將信號(hào)發(fā)送到與HDD相關(guān)的計(jì)算機(jī)，從而在便攜式設(shè)備與地板碰撞之前安全地停放頭部。
式5
(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，傳感器諧振頻率和工作溫度設(shè)備范圍。通常，閾值可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定，就像上面描述的那樣。例如，設(shè)計(jì)者可以選擇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中加速度曲線的行為。如果要在翻轉(zhuǎn)間隔期間獲得足夠的信息來(lái)區(qū)分跌倒，則計(jì)算機(jī)將有更多的時(shí)間來(lái)采取保護(hù)措施。實(shí)際上，傳感器的輸出在該時(shí)間間隔內(nèi)確實(shí)會(huì)發(fā)生變化，但是輸出值不足以直接啟動(dòng)HDD保護(hù)過(guò)程。
但是，如果形成一個(gè)新函數(shù)，則等于X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），
方程式6
(6)
得到的結(jié)果將如圖6所示。圖6所示的值是基于ADuC832智能傳感器前端的12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。黑色曲線是（dX / dt）2 + （dY / dt）2的瞬時(shí)值，綠色曲線是（dZ / dt）2 +（dY 1 / dt）2。
圖6
圖6.（dX / dt）2 +（dY / dt）2和（dZ / dt）2 +（dY 1 / dt）2的微分加速算法-時(shí)間導(dǎo)數(shù)圖。
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)很大，但是在自由落體下降期間卻變得很小。該事件序列可以用于提供跌倒已經(jīng)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)樗鼈兙哂邢嗨频男阅?。因此，要監(jiān)視的傳感器軸的選擇可以是任意的。
現(xiàn)在，我們可以建立一個(gè)新的測(cè)試算法，標(biāo)記為“差分加速度算法”（公式7）：
方程式7
(7)
傳感器輸出時(shí)差的閾值（跌落檢測(cè)的關(guān)鍵）僅與傳感器的靈敏度有關(guān)。例如，使用ADXL320，可以將閾值選擇為200個(gè)計(jì)數(shù)（在算法使用的數(shù)字標(biāo)度上）。
實(shí)現(xiàn)差分加速度算法
實(shí)施差分加速度算法的系統(tǒng)的主要組件是ADXL320雙軸加速度計(jì)，AD8542雙軌至軌放大器和ADuC832智能傳感器前端。該系統(tǒng)的簡(jiǎn)化原理圖如圖7所示。
圖7
圖7. HDD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，AD8542用作加速度計(jì)輸出與ADuC832的輸入ADC0和ADC1之間的緩沖器。對(duì)于每個(gè)通道，多路復(fù)用器以每秒200個(gè)樣本的速率在兩個(gè)輸入之間切換，從而連續(xù)監(jiān)視到達(dá)的加速度信號(hào)。
8052微控制器內(nèi)核是ADuC832的組件，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)生跌倒時(shí)，通用I / O就會(huì)向HDD的配套計(jì)算機(jī)提供警報(bào)信號(hào)，因此HDD將在發(fā)生沖擊之前安全地停放硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器磁頭。
圖8
圖8.差分加速算法-HDD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。為此，如上所述，當(dāng)在實(shí)現(xiàn)上述差分加速度算法的保護(hù)系統(tǒng)中采用ADXL320雙軸加速度計(jì)時(shí)，*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)省了空間并減少了功耗。
根據(jù)我們構(gòu)建的HDD保護(hù)系統(tǒng)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在自由落體發(fā)生的瞬間與生成警報(bào)信號(hào)的時(shí)間之間的響應(yīng)時(shí)間將為40毫秒，每通道每秒200個(gè)樣本的采樣率。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)到的自由落體到停車(chē)完成的總時(shí)間不超過(guò)190 ms。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于便攜式產(chǎn)品跌落3英尺所需的432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，其中在發(fā)生自由落體下降時(shí)，發(fā)生墜落瞬間所感測(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)。但這是不太可能的，而且根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，這從未發(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)理后的電壓輸出，全部位于單個(gè)單片IC上。該產(chǎn)品可在±5 g（典型值）的滿量程范圍內(nèi)測(cè)量加速度。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)包含傳感器和信號(hào)調(diào)節(jié)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)是與正交加速度成比例的兩個(gè)模擬電壓。
傳感器是建立在硅晶片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)懸掛在晶片表面上方，并提供抵抗加速力的能力。使用由固定的獨(dú)立板相對(duì)于附接到移動(dòng)質(zhì)量的板形成的差分電容器來(lái)測(cè)量結(jié)構(gòu)的撓度。
固定板由相位差為180°的方波驅(qū)動(dòng)。當(dāng)設(shè)備受到加速力時(shí)，光束會(huì)偏轉(zhuǎn)，使差分電容器失衡，從而導(dǎo)致輸出方波的振幅與加速度成比例。如圖所示，解調(diào)器模塊中包含的相敏解調(diào)電路隨后用于整流信號(hào)并確定加速度是正還是負(fù)。
如圖所示，解調(diào)器沿ADXL320的X軸和Y軸測(cè)量的加速度被輸出放大器放大，并通過(guò)32kΩ電阻在片外輸出。外部電容器可用于提供濾波。
圖9
ADXL低重力加速度計(jì)選擇表第1部分
部分＃ 排名
軸 范圍
（g） 靈敏度 靈敏度
準(zhǔn)確度
（％） 輸出類(lèi)型
ADXL103
1 ±1.7 1000毫伏/克
±6 模擬量
ADXL203 2 ±1.7
1000毫伏/克 ±6
模擬量
ADXL204 2 ±1.7
620毫伏/克 ±5
模擬量
ADXL213
2 ±1.2 30％/克 ±10
脈寬調(diào)制
ADXL320 2 ±5 174毫伏/克 ±10
模擬量
ADXL321 2 ±18 57毫伏/克 ±10
模擬量
ADXL322 2 ±2 420毫伏/克 ±10
模擬量
ADXL330 3 ±2
ADXL311
2 ±2
174毫伏/克 ±15
模擬量
ADXL202
2 ±2
12.5％/克
±16
脈寬調(diào)制
ADXL210
2 ±10
4.0％/克 ±20
脈寬調(diào)制
ADXL低重力加速度計(jì)選擇表第2部分
部分＃ *最大
帶寬
（kHz） 噪聲
密度
（μg / rtHz）
電源電壓
（V） 電源
電流
（mA） 溫度
范圍（°C） 包裹
ADXL103
2.5 110
5
（3至6）
0.7 -40至+125 E-8
ADXL203 2.5
110
5
（3至6）
0.7 -40至+125 E-8
ADXL204 2.5
170
3.3
（3至6）
0.5 -40至+125 E-8
ADXL213
2.5
160
5
（3至6）
0.7 -40至+85 E-8
ADXL320 2.5
250 2.4至6 0.5
-20至+70 CP-16
ADXL321 2.5
320 2.4至6 0.5
-20至+70 CP-16
ADXL322 2.5
220 2.4至6 0.5
-20至+70 CP-16
ADXL330
ADXL311
6 300 2.4至5.25 0.4
0至+70 E-8
ADXL202
6 200 3至5.25
0.6
-40至+85 E-8
ADXL210
6 200 3至5.25
0.6
-40至+85 E-8
*傳感器帶寬由客戶在應(yīng)用程序中設(shè)置。
參考電路
