采用双轴加速度计保护硬盘驱动器

随着笔记本电脑(NB)、便携式媒体播放器(PMP)和个人数字助理(PDA)等便携产品的应用日趋广泛,硬盘驱动器的需求也水涨船高。与此同时,这些产品也迫切需要避免因用户不慎使其坠地而给硬盘带来的严重损害。

为了使硬盘应用更加稳定,必须或主动或者被动地增强其抗冲击性。在被动保护方面,通常只要采用橡胶或瞬间胶(gel)等能够吸引撞击能量的材料就可以了。但是,如果便携产品从高于一米的地方坠落,这类保护就失去了其功效。因此,便携设备中并不采用这种被动保护方式,而通常采用主动保护的方式,也就是当加速计检测到物体正在坠落时,能主动停止读/写磁头的工作,以避免磁头与磁盘发生碰撞。这种保护方法被IBM公司率先商用于2003年10月上市的笔记本电脑。

当一个物体突然坠落时,加速度计可以检测到加速度沿着三个轴的方向减小到0,这是因为加速度计与坠落的物体以相同的加速度坠向地面。当然,坠落的物体同时还可能具有角加速度。传统的硬盘保护算法基于自由落体建模,加速度计的输出具有四个连续的过程:静止、翻转、自由落体和撞击。当一个物体从桌上坠落过程中,它在静止、翻转和自由降落阶段的加速度很小,但在碰撞阶段则迅猛加大。

如果能尽早检测到物体坠落,那么就会有更多的时间来采取保护措施。虽然传感器的输出在翻转阶段会出现变化,但差值还不够显著,不足以立即直接触发硬盘保护功能生效。但是,从(下图1)我们可以看出,如果得出在翻转期间的加速度计在X轴和Y轴的输出对时间的导数的平方和函数,就能检测到一个很明显的信号。该图是根据12位模数转换的输出值计算出来的,采样时间间隔是5ms。

正如我们所预料到的,在翻滚阶段,时间导数的平方和很大；但到了自由落体阶段,这个数值就变得很小。通过这一系列数据的变化,我们可以很确切的判断物体坠落现象的发生。现在,我们可以确定一种新的检测算法,在此称之为微分加速度算法:

(dX/dt)² + (dY/dt)²> 阈值

系统要应用微分加速度算法,可采用双轴加速度计ADXL320、轨到轨放大器AD8542和智能模拟微控制器ADuC832,其框图如图2所示。加速度计由一个传感器和信号调节电路组成,从而实现开环加速度检测。模拟输出电压与加速度成比例变化。表面微加工多晶硅传感器通过多晶硅弹簧悬挂在硅晶圆表面上,使用一个差分电容器来检测差分信号,差分电容器由固定在硅上的固定板和附在传感器上的可移动板组成。固定板由相位相差180度的平方波来驱动。当物体受到使其加速的力时,传感器的轴就会发生倾斜,于是差分动电容器失去平衡,这将使得输出值的平方随着加速度值的变化也成比例地波动。相敏检波电路调整信号并且确定加速度是正值还是负值。

图1

有人也许会问,硬盘保护系统是否需要一个三轴的传感器？答案是否定的。正如上文所述,在保护系统中使用双轴加速度计ADXL320,便可实现前面提到的加速度差值算法,双轴传感器除了能节约成本,还可以节省空间降低功耗。

图2:在硬盘保护系统中无须采用三轴传感器,采用双轴加速度计即可,并能节省空间和降低功耗。

我们所构建的硬盘保护系统,从自由落体开始到报警信号产生的响应时间是40ms,每个通道的采样率是300Sa/s,传感器的带宽是100Hz。硬盘磁头停止工作的时间不能超过150ms,所以从检测到物体下落到磁头完全停止工作的时间不会超过190ms。这个数字远远小于一个便携式物体从3尺高的地方跌落所需要的432ms的时间。

作者:廖文帅

高级应用工程师

赵一鸣

应用工程师

美国模拟器件公司北京办事处