由于便携式设备(如膝上型计算机,便携式媒体播放器(PMP)和手机)的引入爆炸性增长,硬盘驱动器(HDD)的使用比以往任何时候都广泛。随着越来越多的设备装有HDD,当包含硬盘的产品意外掉落时,保护它们免受严重撞击产生的冲击的需求变得越来越迫切。为了提高HDD抵御此类事件的能力,必须增强其抗冲击性。
有两种方法可以建立必要的抗冲击性,即主动和被动。
被动方法已经使用了很长时间。它们只是用吸收冲击的材料(通常是橡胶或凝胶1)来缓冲设备。趋于更好地吸收冲击的凝胶比橡胶被更广泛地使用。但是,凝胶不能保护设备免受因跌落超过一米而造成的损坏。这排除了它们在便携式娱乐设备中的使用。需要保护手机,MP3播放器和PMP等设备的跌落高度超过1.5米(人耳在地面上方的平均高度)。
在有效的方法中,有两种保护HDD的方法。一种是增加高速缓存存储器的容量,以使HDD更少地处于读或写模式。这种方法还将减少功耗和发热。但这是昂贵的,并且无法解决如果跌落开始时HDD处于读或写模式时可能发生的影响。第二种方法是使用加速度计(例如可测量轴向加速度的Analog Devices ADXL320双轴加速度计)来检测跌落,然后生成一个信号,使HDD磁头被调回安全区域。如果这可能在产品撞击地板或其他固定表面之前发生,则可以防止打印头和盘片之间发生碰撞。这种方法最早是在2003年10月由IBM发布的笔记本电脑中商业使用的。
建模自由落体
物体自由下落的最简单模型如图1所示,其中下落物体的Z轴被假定为垂直于地球表面。
图1
图1.自由落体模型的特殊情况-加速度限制在单个轴上。
在图1(a)中,假设物体是静止的,因此沿X和Y轴的加速度均为零,因此沿牛顿第二定律控制的沿Z轴的力的值为1 g(在海平面上为32.174英尺/秒/秒),对应于由于重力而产生的固定加速力。
在图1(b)中,允许物体掉落。沿X和Y轴的加速度保持不变,为零g,但是现在测量沿Z轴的加速度的加速度计,以与其固定的对象相同的速率被加速度,将记录为零g。
图2显示了下落物体的更一般情况。此处,立方体的边缘相对于正交坐标系形成任意角度。
图2
图2.通用自由落体模型-沿所有三个轴的加速度分量。
在图2(a)中,以广义的任意方向描绘了对象;它的边缘相对于X轴成角度α;相对于Y轴为β;相对于Z轴为γ。在零克加速度,各轴传感器的电压输出是V CC / 2。因此,三个轴的输出将是:
式1a
(1a)
式1b
(1b)
式1c
(1c)
“灵敏度”是指每克传感器的输出。对于ADXL320,当采用+3 V供电时,灵敏度将为174 mV / g。如果检测到的线性加速度的方向与坐标轴的正方向(X,Y或Z)相对应,则其符号将为正,并且其输出将加到V CC / 2;否则,它的输出将为V CC / 2。否则它将为负,并且将从V CC / 2中减去。
当物体突然掉落时,沿所有三个轴的加速度都变为零,这是因为,不管物体相对于坐标系的方向如何,都不会沿任何轴检测到加速度,因为如上所述,加速度计正在向地球加速与坠落物体的速度相同。
对于便携式设备,我们还必须考虑可能施加到物体上的任何角加速度,如图3所示。
图3
图3.坠落物体的角加速度。
为了简化角加速度的计算,将分析限制在由X轴和Y轴确定的平面上,从而简化了分析。
如果角速度为ω并且旋转半径为R,则角加速度(A C)为:
方程式2
(2)
因此,沿X和Y轴的角加速度的分量将为:
式3a
(3a)
式3b
(3b)
因此,实际上,下落物体将同时表现出线性加速度和角加速度,这是上述各种情况的组合。
为了计算物体从坠落时垂直于地球的零速度开始坠落所经过的时间,我们可以基于牛顿第二运动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,为32.174英尺/秒/秒。
为了了解可用于响应跌倒的时间,我们可以假设高度为3英尺。使用公式(4),时间= 432毫秒。
传统的保护算法
传统上,HDD保护算法基于自由落体建模,如下所述,其中,数字示波器或其他数据采样系统可以轻松捕获加速度计中包含的传感器的输出。
可以使用两个ADXL320双轴加速度计来组装“测试台” 。如图4所示,加速度计的轴与X,Y和Z轴对齐,从而提供沿X,Y和Z坐标的加速度值。(Y 1输出是冗余的,并且不使用。)坐标轴的输出由ADuC832精密模拟微控制器中包含的12位ADC采样,该微控制器集成采样数据并将其馈送到内部兼容8052的内核处理器。然后将采样的数据通过RS-232接口传输到计算机以进行分析。
图4
图4.测试底座。
图5显示了两个传感器感测到的响应顺序。值X和Y由一个加速度计提供,值Z和Y1由另一加速度计提供。还要注意,该图分为四个连续的时间间隔,分别标记为:“静态”,“翻转”,“自由落体下降”和“冲击”。沿X轴显示的采样间隔由ADC确定,每个变量的时钟频率为200 Hz,或者每5毫秒以每个变量的一个采样频率计时。Y轴刻度表示在所有四个轴上绘制的ADuC832智能变送器前端中的12位ADC传递的值。
图5
图5.传统保护算法-加速度计感应到的响应顺序。
如图4所示,放置在桌子边缘并使其翻转的测试滑板产生角加速度,如图5所示,产生的翻转数据如图5所示。(Z轴值显然不等于静态模式下的零g输出是由于加速度计的不平衡安装引起的。)
当将滑板从桌子上推下时,在该自由落体下降间隔期间,其值在各自的零水平附近均保持恒定,这与上述断言:在自由落体期间所有加速度计的输出将为零-g一致。输出。
(另请注意,加速度计在相同时间间隔内沿不同轴的零重力输出并不完全相同。)
传统的硬盘驱动器保护算法基于刚刚描述的配置中获得的数据。系统监视沿对象的X,Y和Z轴的加速度。如果根据等式5计算的平方根均方根值等于或小于阈值,则将信号发送到与HDD相关的计算机,从而在便携式设备与地板碰撞之前安全地停放头部。
式5
(5)
阈值的选择取决于特定的响应时间要求以及传感器的参数,例如灵敏度,温度引起的灵敏度变化,工作电压,噪声密度,封装对准误差,传感器谐振频率和工作温度设备范围。通常,阈值可以通过实验确定,就像上面描述的那样。例如,设计者可以选择0.4 g的阈值。
一种新的差分加速度算法
现在让我们更仔细地看一下图5中加速度曲线的行为。如果要在翻转间隔期间获得足够的信息来区分跌倒,则计算机将有更多的时间来采取保护措施。实际上,传感器的输出在该时间间隔内确实会发生变化,但是输出值不足以直接启动HDD保护过程。
但是,如果形成一个新函数,则等于X和Y轴加速度计输出的时间导数的平方和(公式6),
方程式6
(6)
得到的结果将如图6所示。图6所示的值是基于ADuC832智能传感器前端的12位ADC输出的计算结果。样本编号再次以5毫秒的时间增量。黑色曲线是(dX / dt)2 + (dY / dt)2的瞬时值,绿色曲线是(dZ / dt)2 +(dY 1 / dt)2。
图6
图6.(dX / dt)2 +(dY / dt)2和(dZ / dt)2 +(dY 1 / dt)2的微分加速算法-时间导数图。
正如预期的那样,时间导数的平方和在翻转时间间隔内很大,但是在自由落体下降期间却变得很小。该事件序列可以用于提供跌倒已经发生的可靠指示。
重要的是要注意,我们的研究证实,可以选择两个加速度计中的任何一个,因为它们具有相似的性能。因此,要监视的传感器轴的选择可以是任意的。
现在,我们可以建立一个新的测试算法,标记为“差分加速度算法”(公式7):
方程式7
(7)
传感器输出时差的阈值(跌落检测的关键)仅与传感器的灵敏度有关。例如,使用ADXL320,可以将阈值选择为200个计数(在算法使用的数字标度上)。
实现差分加速度算法
实施差分加速度算法的系统的主要组件是ADXL320双轴加速度计,AD8542双轨至轨放大器和ADuC832智能传感器前端。该系统的简化原理图如图7所示。
图7
图7. HDD保护硬件系统的简化示意图。
来自加速度计的信号通过AD8542馈送,AD8542用作加速度计输出与ADuC832的输入ADC0和ADC1之间的缓冲器。对于每个通道,多路复用器以每秒200个样本的速率在两个输入之间切换,从而连续监视到达的加速度信号。
8052微控制器内核是ADuC832的组件,实现了图8所示的算法。然后,每当系统检测到发生跌倒时,通用I / O就会向HDD的配套计算机提供警报信号,因此HDD将在发生冲击之前安全地停放硬盘驱动器磁头。
图8
图8.差分加速算法-HDD保护流程图。
结论
有人可能会问三轴传感器对于HDD保护是否必不可少。答案是否定的。为此,如上所述,当在实现上述差分加速度算法的保护系统中采用ADXL320双轴加速度计时,*可以很好地完成任务。除了降低成本外,双轴传感器方法还节省了空间并减少了功耗。
根据我们构建的HDD保护系统,已经发现,在自由落体发生的瞬间与生成警报信号的时间之间的响应时间将为40毫秒,每通道每秒200个样本的采样率。传感器带宽为100 Hz。停放硬盘驱动器磁头所需的时间不应超过150毫秒,以降低整个系统的成本。因此,从检测到的自由落体到停车完成的总时间不超过190 ms。这远远小于便携式产品跌落3英尺所需的432毫秒。
本文中描述的算法几乎适用于上述所有情况。它无法检测到的唯一情况是自由落体事件,其中在发生自由落体下降时,发生坠落瞬间所感测到的X和Y加速度的平方的时间导数仍然可以忽略不计。但这是不太可能的,而且根据我们的经验,这从未发生过。
ADXL320 2轴加速度计
ADI公司的ADXL320是一款低成本,低功耗,双轴加速度测量系统,具有信号调理后的电压输出,全部位于单个单片IC上。该产品可在±5 g(典型值)的满量程范围内测量加速度。ADXL320采用超薄,4 mm×4 mm×1.45 mm,16引脚塑料LFCSP封装。
加速度计包含传感器和信号调节电路,以实现开环加速度测量架构。输出信号是与正交加速度成比例的两个模拟电压。
传感器是建立在硅晶片顶部的多晶硅表面微加工结构。多晶硅弹簧将结构悬挂在晶片表面上方,并提供抵抗加速力的能力。使用由固定的独立板相对于附接到移动质量的板形成的差分电容器来测量结构的挠度。
固定板由相位差为180°的方波驱动。当设备受到加速力时,光束会偏转,使差分电容器失衡,从而导致输出方波的振幅与加速度成比例。如图所示,解调器模块中包含的相敏解调电路随后用于整流信号并确定加速度是正还是负。
如图所示,解调器沿ADXL320的X轴和Y轴测量的加速度被输出放大器放大,并通过32kΩ电阻在片外输出。外部电容器可用于提供滤波。
图9
ADXL低重力加速度计选择表第1部分
部分# 排名
轴 范围
(g) 灵敏度 灵敏度
准确度
(%) 输出类型
ADXL103
1 ±1.7 1000毫伏/克
±6 模拟量
ADXL203 2 ±1.7
1000毫伏/克 ±6
模拟量
ADXL204 2 ±1.7
620毫伏/克 ±5
模拟量
ADXL213
2 ±1.2 30%/克 ±10
脉宽调制
ADXL320 2 ±5 174毫伏/克 ±10
模拟量
ADXL321 2 ±18 57毫伏/克 ±10
模拟量
ADXL322 2 ±2 420毫伏/克 ±10
模拟量
ADXL330 3 ±2
ADXL311
2 ±2
174毫伏/克 ±15
模拟量
ADXL202
2 ±2
12.5%/克
±16
脉宽调制
ADXL210
2 ±10
4.0%/克 ±20
脉宽调制
ADXL低重力加速度计选择表第2部分
部分# *最大
带宽
(kHz) 噪声
密度
(µg / rtHz)
电源电压
(V) 电源
电流
(mA) 温度
范围(°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
*传感器带宽由客户在应用程序中设置。
参考电路