采用雙軸加速度計(jì)保護(hù)硬盤驅(qū)動(dòng)器

隨著筆記本電腦（NB）、便攜式媒體播放器（PMP）和個(gè)人數(shù)字助理（PDA）等便攜產(chǎn)品的應(yīng)用日趨廣泛，硬盤驅(qū)動(dòng)器的需求也水漲船高。與此同時(shí)，這些產(chǎn)品也迫切需要避免因用戶不慎使其墜地而給硬盤帶來的嚴(yán)重?fù)p害。

　　為了使硬盤應(yīng)用更加穩(wěn)定，必須或主動(dòng)或者被動(dòng)地增強(qiáng)其抗沖擊性。在被動(dòng)保護(hù)方面，通常只要采用橡膠或瞬間膠（gel）等能夠吸引撞擊能量的材料就可以了。但是，如果便攜產(chǎn)品從高于一米的地方墜落，這類保護(hù)就失去了其功效。因此，便攜設(shè)備中并不采用這種被動(dòng)保護(hù)方式，而通常采用主動(dòng)保護(hù)的方式，也就是當(dāng)加速計(jì)檢測到物體正在墜落時(shí)，能主動(dòng)停止讀/寫磁頭的工作，以避免磁頭與磁盤發(fā)生碰撞。這種保護(hù)方法被IBM公司率先商用于2003年10月上市的筆記本電腦。

　　當(dāng)一個(gè)物體突然墜落時(shí)，加速度計(jì)可以檢測到加速度沿著三個(gè)軸的方向減小到0，這是因?yàn)榧铀俣扔?jì)與墜落的物體以相同的加速度墜向地面。當(dāng)然，墜落的物體同時(shí)還可能具有角加速度。傳統(tǒng)的硬盤保護(hù)算法基于自由落體建模，加速度計(jì)的輸出具有四個(gè)連續(xù)的過程：靜止、翻轉(zhuǎn)、自由落體和撞擊。當(dāng)一個(gè)物體從桌上墜落過程中，它在靜止、翻轉(zhuǎn)和自由降落階段的加速度很小，但在碰撞階段則迅猛加大。

　　如果能盡早檢測到物體墜落，那么就會有更多的時(shí)間來采取保護(hù)措施。雖然傳感器的輸出在翻轉(zhuǎn)階段會出現(xiàn)變化，但差值還不夠顯著，不足以立即直接觸發(fā)硬盤保護(hù)功能生效。但是，從（下圖1）我們可以看出，如果得出在翻轉(zhuǎn)期間的加速度計(jì)在X軸和Y軸的輸出對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)的平方和函數(shù)，就能檢測到一個(gè)很明顯的信號。該圖是根據(jù)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換的輸出值計(jì)算出來的，采樣時(shí)間間隔是5ms。

　　正如我們所預(yù)料到的，在翻滾階段，時(shí)間導(dǎo)數(shù)的平方和很大；但到了自由落體階段，這個(gè)數(shù)值就變得很小。通過這一系列數(shù)據(jù)的變化，我們可以很確切的判斷物體墜落現(xiàn)象的發(fā)生。現(xiàn)在，我們可以確定一種新的檢測算法，在此稱之為微分加速度算法：

　?。╠X/dt）2 + （dY/dt）2 》 閾值

　　系統(tǒng)要應(yīng)用微分加速度算法，可采用雙軸加速度計(jì)ADXL320、軌到軌放大器AD8542和智能模擬微控制器ADuC832，其框圖如圖2所示。加速度計(jì)由一個(gè)傳感器和信號調(diào)節(jié)電路組成，從而實(shí)現(xiàn)開環(huán)加速度檢測。模擬輸出電壓與加速度成比例變化。表面微加工多晶硅傳感器通過多晶硅彈簧懸掛在硅晶圓表面上，使用一個(gè)差分電容器來檢測差分信號，差分電容器由固定在硅上的固定板和附在傳感器上的可移動(dòng)板組成。固定板由相位相差180度的平方波來驅(qū)動(dòng)。當(dāng)物體受到使其加速的力時(shí)，傳感器的軸就會發(fā)生傾斜，于是差分動(dòng)電容器失去平衡，這將使得輸出值的平方隨著加速度值的變化也成比例地波動(dòng)。相敏檢波電路調(diào)整信號并且確定加速度是正值還是負(fù)值。

　　圖1

　　有人也許會問，硬盤保護(hù)系統(tǒng)是否需要一個(gè)三軸的傳感器？答案是否定的。正如上文所述，在保護(hù)系統(tǒng)中使用雙軸加速度計(jì)ADXL320，便可實(shí)現(xiàn)前面提到的加速度差值算法，雙軸傳感器除了能節(jié)約成本，還可以節(jié)省空間降低功耗。

　　圖2：在硬盤保護(hù)系統(tǒng)中無須采用三軸傳感器，采用雙軸加速度計(jì)即可，并能節(jié)省空間和降低功耗。

　　我們所構(gòu)建的硬盤保護(hù)系統(tǒng)，從自由落體開始到報(bào)警信號產(chǎn)生的響應(yīng)時(shí)間是40ms，每個(gè)通道的采樣率是300Sa/s，傳感器的帶寬是100Hz。硬盤磁頭停止工作的時(shí)間不能超過150ms，所以從檢測到物體下落到磁頭完全停止工作的時(shí)間不會超過190ms。這個(gè)數(shù)字遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一個(gè)便攜式物體從3尺高的地方跌落所需要的432ms的時(shí)間。