由于便攜式設備（如膝上型計算機，便攜式媒體播放器（PMP）和手機）的引入爆炸性增長，硬盤驅動器（HDD）的使用比以往任何時候都廣泛。隨著越來越多的設備裝有HDD，當包含硬盤的產品意外掉落時，保護它們免受嚴重撞擊產生的沖擊的需求變得越來越迫切。為了提高HDD抵御此類事件的能力，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，即主動和被動。
被動方法已經使用了很長時間。它們只是用吸收沖擊的材料（通常是橡膠或凝膠1）來緩沖設備。趨于更好地吸收沖擊的凝膠比橡膠被更廣泛地使用。但是，凝膠不能保護設備免受因跌落超過一米而造成的損壞。這排除了它們在便攜式娛樂設備中的使用。需要保護手機，MP3播放器和PMP等設備的跌落高度超過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HDD的方法。一種是增加高速緩存存儲器的容量，以使HDD更少地處于讀或寫模式。這種方法還將減少功耗和發熱。但這是昂貴的，并且無法解決如果跌落開始時HDD處于讀或寫模式時可能發生的影響。第二種方法是使用加速度計（例如可測量軸向加速度的Analog Devices ADXL320雙軸加速度計）來檢測跌落，然后生成一個信號，使HDD磁頭被調回安全區域。如果這可能在產品撞擊地板或其他固定表面之前發生，則可以防止打印頭和盤片之間發生碰撞。這種方法最早是在2003年10月由IBM發布的筆記本電腦中商業使用的。
建模自由落體
物體自由下落的最簡單模型如圖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-加速度限制在單個軸上。
在圖1（a）中，假設物體是靜止的，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），對應于由于重力而產生的固定加速力。
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，但是現在測量沿Z軸的加速度的加速度計，以與其固定的對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，立方體的邊緣相對于正交坐標系形成任意角度。
圖2
圖2.通用自由落體模型-沿所有三個軸的加速度分量。
在圖2（a）中，以廣義的任意方向描繪了對象；它的邊緣相對于X軸成角度α；相對于Y軸為β；相對于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。對于ADXL320，當采用+3 V供電時，靈敏度將為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，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，并且將從V CC / 2中減去。
當物體突然掉落時，沿所有三個軸的加速度都變為零，這是因為，不管物體相對于坐標系的方向如何，都不會沿任何軸檢測到加速度，因為如上所述，加速度計正在向地球加速與墜落物體的速度相同。
對于便攜式設備，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軸確定的平面上，從而簡化了分析。
如果角速度為ω并且旋轉半徑為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，實際上，下落物體將同時表現出線性加速度和角加速度，這是上述各種情況的組合。
為了計算物體從墜落時垂直于地球的零速度開始墜落所經過的時間，我們可以基于牛頓第二運動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毫秒。
傳統的保護算法
傳統上，HDD保護算法基于自由落體建模，如下所述，其中，數字示波器或其他數據采樣系統可以輕松捕獲加速度計中包含的傳感器的輸出。
可以使用兩個ADXL320雙軸加速度計來組裝“測試臺” 。如圖4所示，加速度計的軸與X，Y和Z軸對齊，從而提供沿X，Y和Z坐標的加速度值。（Y 1輸出是冗余的，并且不使用。）坐標軸的輸出由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據并將其饋送到內部兼容8052的內核處理器。然后將采樣的數據通過RS-232接口傳輸到計算機以進行分析。
圖4
圖4.測試底座。
圖5顯示了兩個傳感器感測到的響應順序。值X和Y由一個加速度計提供，值Z和Y1由另一加速度計提供。還要注意，該圖分為四個連續的時間間隔，分別標記為：“靜態”，“翻轉”，“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，或者每5毫秒以每個變量的一個采樣頻率計時。Y軸刻度表示在所有四個軸上繪制的ADuC832智能變送器前端中的12位ADC傳遞的值。
圖5
圖5.傳統保護算法-加速度計感應到的響應順序。
如圖4所示，放置在桌子邊緣并使其翻轉的測試滑板產生角加速度，如圖5所示，產生的翻轉數據如圖5所示。（Z軸值顯然不等于靜態模式下的零g輸出是由于加速度計的不平衡安裝引起的。）
當將滑板從桌子上推下時，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的輸出將為零-g一致。輸出。
（另請注意，加速度計在相同時間間隔內沿不同軸的零重力輸出并不完全相同。）
傳統的硬盤驅動器保護算法基于剛剛描述的配置中獲得的數據。系統監視沿對象的X，Y和Z軸的加速度。如果根據等式5計算的平方根均方根值等于或小于閾值，則將信號發送到與HDD相關的計算機，從而在便攜式設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時間要求以及傳感器的參數，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，傳感器諧振頻率和工作溫度設備范圍。通常，閾值可以通過實驗確定，就像上面描述的那樣。例如，設計者可以選擇0.4 g的閾值。
一種新的差分加速度算法
現在讓我們更仔細地看一下圖5中加速度曲線的行為。如果要在翻轉間隔期間獲得足夠的信息來區分跌倒，則計算機將有更多的時間來采取保護措施。實際上，傳感器的輸出在該時間間隔內確實會發生變化，但是輸出值不足以直接啟動HDD保護過程。
但是，如果形成一個新函數，則等于X和Y軸加速度計輸出的時間導數的平方和（公式6），
方程式6
(6)
得到的結果將如圖6所示。圖6所示的值是基于ADuC832智能傳感器前端的12位ADC輸出的計算結果。樣本編號再次以5毫秒的時間增量。黑色曲線是（dX / dt）2 + （dY / dt）2的瞬時值，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-時間導數圖。
正如預期的那樣，時間導數的平方和在翻轉時間間隔內很大，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發生的可靠指示。
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，因為它們具有相似的性能。因此，要監視的傳感器軸的選擇可以是任意的。
現在，我們可以建立一個新的測試算法，標記為“差分加速度算法”（公式7）：
方程式7
(7)
傳感器輸出時差的閾值（跌落檢測的關鍵）僅與傳感器的靈敏度有關。例如，使用ADXL320，可以將閾值選擇為200個計數（在算法使用的數字標度上）。
實現差分加速度算法
實施差分加速度算法的系統的主要組件是ADXL320雙軸加速度計，AD8542雙軌至軌放大器和ADuC832智能傳感器前端。該系統的簡化原理圖如圖7所示。
圖7
圖7. HDD保護硬件系統的簡化示意圖。
來自加速度計的信號通過AD8542饋送，AD8542用作加速度計輸出與ADuC832的輸入ADC0和ADC1之間的緩沖器。對于每個通道，多路復用器以每秒200個樣本的速率在兩個輸入之間切換，從而連續監視到達的加速度信號。
8052微控制器內核是ADuC832的組件，實現了圖8所示的算法。然后，每當系統檢測到發生跌倒時，通用I / O就會向HDD的配套計算機提供警報信號，因此HDD將在發生沖擊之前安全地停放硬盤驅動器磁頭。
圖8
圖8.差分加速算法-HDD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。為此，如上所述，當在實現上述差分加速度算法的保護系統中采用ADXL320雙軸加速度計時，*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省了空間并減少了功耗。
根據我們構建的HDD保護系統，已經發現，在自由落體發生的瞬間與生成警報信號的時間之間的響應時間將為40毫秒，每通道每秒200個樣本的采樣率。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，以降低整個系統的成本。因此，從檢測到的自由落體到停車完成的總時間不超過190 ms。這遠遠小于便攜式產品跌落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。它無法檢測到的唯一情況是自由落體事件，其中在發生自由落體下降時，發生墜落瞬間所感測到的X和Y加速度的平方的時間導數仍然可以忽略不計。但這是不太可能的，而且根據我們的經驗，這從未發生過。
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，具有信號調理后的電壓輸出，全部位于單個單片IC上。該產品可在±5 g（典型值）的滿量程范圍內測量加速度。ADXL320采用超薄，4 mm×4 mm×1.45 mm，16引腳塑料LFCSP封裝。
加速度計包含傳感器和信號調節電路，以實現開環加速度測量架構。輸出信號是與正交加速度成比例的兩個模擬電壓。
傳感器是建立在硅晶片頂部的多晶硅表面微加工結構。多晶硅彈簧將結構懸掛在晶片表面上方，并提供抵抗加速力的能力。使用由固定的獨立板相對于附接到移動質量的板形成的差分電容器來測量結構的撓度。
固定板由相位差為180°的方波驅動。當設備受到加速力時，光束會偏轉，使差分電容器失衡，從而導致輸出方波的振幅與加速度成比例。如圖所示，解調器模塊中包含的相敏解調電路隨后用于整流信號并確定加速度是正還是負。
如圖所示，解調器沿ADXL320的X軸和Y軸測量的加速度被輸出放大器放大，并通過32kΩ電阻在片外輸出。外部電容器可用于提供濾波。
圖9
ADXL低重力加速度計選擇表第1部分
部分＃ 排名
軸 范圍
（g） 靈敏度 靈敏度
準確度
（％） 輸出類型
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
脈寬調制
ADXL210
2 ±10
4.0％/克 ±20
脈寬調制
ADXL低重力加速度計選擇表第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用程序中設置。
參考電路
