由于便携式设备(如笔记本电脑、便携式媒体播放器和手机)的爆炸式增长，硬盘驱动器(hdd)的使用比以往任何时候都更加广泛。随着越来越多的设备采用hdd，当含有hdd的产品意外掉落时，保护hdd免受严重冲击的需求变得更加迫切。为了提高hdd在此类事件中的生存能力，必须增强其抗冲击性。

建立必要的抗冲击性有两种方法，主动和被动。

被动方法已经使用了很长时间;他们只是用吸收冲击的材料(通常是橡胶或凝胶)来缓冲设备。凝胶，往往能够更好地吸收冲击，比橡胶使用更广泛。然而，凝胶不能保护设备免受超过一米的跌落造成的损坏;这就排除了它们在便携式娱乐设备中的使用。手机、MP3播放器、pmp等设备在跌落超过1.5米(人耳朵离地面的平均高度)时需要进行防护。

在主动方法中，有两种保护hdd的方法。一种方法是增加高速缓存容量，这样HDD就不会经常处于读或写模式。这种方法还可以减少电力消耗和加热。但是，这样做的成本很高，而且无法处理如果硬盘在跌落开始的瞬间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Devices的ADXL320双轴加速度计，它测量轴向加速度)来检测下降，然后产生一个信号，导致HDD磁头被召回到安全区域。如果这可以在产品撞击地板或其他固定表面之前发生，则可以防止磁头和盘片之间的碰撞。这种方法在IBM于2003年10月发布的笔记本电脑中首次商业化使用。

自由落体建模

物体自由落体的最简单模型如图1所示，其中假定落体的Z轴垂直于地球表面。

在图1(a)中，假设物体是静止的，因此沿X轴和Y轴的加速度都为零，因此沿Z轴的力，根据牛顿第二定律，将具有1 g(32.174英尺/秒/秒在海平面上)的值，对应于由重力引起的静止加速度力。

在图1(b)中，允许物体下落。沿着X轴和Y轴的加速度保持不变，为0 g，但现在测量沿Z轴加速度的加速度计，被以与被固定物体相同的速度加速，将记录一个0 g的值。

图2显示了一个更一般的坠落物体的情况。在这里，立方体的边在正交坐标系下形成任意的角。

在图2(a)中，物体以广义任意方向描绘;它的边相对于X轴形成角α;β，相对于Y轴;和γ，关于Z轴。在零加速度下，各轴传感器输出电压为V(CC) /2。因此，三个轴的输出为:

(1)

(1 b)

(1 c)

“灵敏度”是指传感器每g的输出。对于ADXL320，当电源为+3 V时，灵敏度为174 mV/g。如果检测到的线性加速度方向与坐标轴(x, Y或z)的正方向相对应，则其符号为正，其输出为V(CC) /2;否则它就是负的，要减去V(CC) /2。

当物体突然下落时，沿着所有三个轴的加速度都变为零，因为无论物体在坐标系中的方向如何，沿着任何轴都不会检测到加速度，因为如上所述，加速度计以与下落物体相同的速度向地球加速。

对于便携式设备，我们还必须考虑可能给予物体的任何角加速度，如图3所示。

为了简化角加速度的计算，将分析限制在由X轴和Y轴确定的平面内，从而简化分析。

若角速度为欧姆，旋转r为r，则角加速度(A(C))为:

（2）

因此，沿X和Y轴的角加速度分量为:

(3)

(3 b)

因此，在现实中，落体将同时表现出线加速度和角加速度，这是上述各种情况的结合。

为了计算物体下落时所经过的时间，从垂直于地球的速度为零开始，我们可以根据牛顿第二运动定律使用以下公式:

（4）

h是下落的高度g是重力加速度，32.174英尺/秒/秒。

为了了解对坠落做出反应的可用时间，我们可以假设高度为3英尺。利用式(4)，时间= 432 ms。

一种传统保护算法

传统上，HDD保护算法基于自由落体建模，如下所述，其中加速度计中包含的传感器的输出可以很容易地被数字示波器或其他数据采样系统捕获。

一个“测试雪橇”可以使用两个ADXL320双轴加速度计组装。加速度计的轴与X、Y和Z轴对齐，如图4所示，从而提供沿X、Y和Z坐标的加速度值。(Y(1)输出是冗余的，不使用。)坐标轴的输出由ADuC832精密微控制器中的12位ADC进行采样，该微控制器将采样数据集成到内部8052兼容的核心处理器中。然后，采样数据通过RS-232接口传输到计算机进行分析。

图5显示了两个传感器感知到的响应序列。值X和Y由一个加速度计提供，值Z和Y1由另一个加速度计提供。还需要注意的是，图表被划分为四个连续的区间:“静态”、“翻转”、“自由落体”和“冲击”。沿着X轴显示的采样间隔由ADC决定，每个变量的时钟为200hz，或者每5毫秒对每个变量进行一次采样。y轴刻度表示ADuC832智能传感器前端的12位ADC提供的值，为所有四个轴绘制。

测试雪橇放置在工作台的边缘，使其产生角加速度(如图4所示)，从而产生如图5所示的侧翻数据。(z轴值，在静态模式下显然不等于零g输出，是由加速度计的不平衡安装引起的。)

当雪橇被推离桌子时，在自由落体期间，这些值在各自的零水平附近都是恒定的，这与上述断言一致，即在自由落体期间，所有加速度计的输出都将是0 - g输出。

(还要注意，加速度计沿不同轴在同一时间间隔内的零重力输出并不完全相同。)

传统的HDD保护算法是基于上述排列中获得的数据。系统沿着物体的X、Y和Z轴监测加速度。如果由式5计算出的平方根值等于或小于阈值，则向与HDD相关的计算机发送信号，使磁头在便携式设备与地板碰撞之前安全停放。

（5）

阈值的选择取决于具体的响应时间要求，以及传感器的参数，如灵敏度、灵敏度随温度的变化、工作电压、噪声密度、封装对准误差、传感器谐振频率和设备的工作温度范围。通常，阈值可以从实验中确定，就像上面描述的那样。例如，设计师可能会选择0.4 g的阈值。

一种新的差分加速算法

现在让我们更仔细地看看图5中加速图的行为。如果在翻转间隔期间获得足够的信息来区分坠落，计算机就会有更多的时间来采取保护措施。事实上，传感器输出在这段时间内确实变化，但是输出值不足以直接启动硬盘保护过程。

然而，如果形成一个新的函数，等于X轴和y轴加速度计输出的时间导数的平方和(式6)，

（6）

得到的结果如图6所示。图6中绘制的值是基于ADuC832智能传感器前端12位ADC输出的计算结果。样本数同样以5毫秒的时间为单位。黑色图是(dX/dt)(2) + (dY/dt)(2)的瞬时值，绿色图是(dZ/dt)(2) + (dY (1)/dt)(2)的瞬时值。

正如预期的那样，时间导数的平方和在翻转时间间隔内相当大，但在自由落体期间它们变得相当小。这种事件序列可以用来提供坠落发生的可靠指示。

值得注意的是，我们的研究证实了两种加速度计中的任何一种都可以选择，因为它们提供了相似的行为。因此，可以任意选择要监测的传感器轴。

现在我们可以建立一个新的测试算法，标记为“微分加速度算法”(式7):

（7）

传感器输出时间差的阈值是下降检测的关键，它只与传感器的灵敏度有关。例如，对于ADXL320，阈值可以选择为200次计数(根据算法使用的数字比例)。

差分加速算法的实现

实现差分加速度算法的系统的主要部件是ADXL320双轴加速度计、AD8542双轨放大器和ADuC832智能传感器前端。系统的简化示意图如图7所示。

来自加速度计的信号通过AD8542馈送，AD8542作为加速度计输出和ADuC832输入(ADC0和ADC1)之间的缓冲区。多路复用器以每个通道每秒200个采样的速率在两个输入之间切换，连续监测到达的加速信号。

8052微控制器内核是ADuC832的一个组成部分，实现了如图8所示的算法。然后，每当系统检测到坠落发生时，一般I/O向硬盘驱动器的同伴计算机提供警报信号，以便硬盘驱动器在撞击发生之前安全地停放硬盘驱动器磁头。

结论

有人可能会问，三轴传感器对硬盘保护是否必不可少。答案是否定的。如上所述，使用ADXL320双轴加速度计，当用于实现上述差分加速度算法的保护系统时，*可以很好地执行任务。除了较低的成本，双轴传感器方法节省了空间，降低了功耗。

基于我们构建的HDD保护系统，发现从自由落体发生的瞬间到警报信号产生的时间为40毫秒，每个通道采样率为每秒200个采样，传感器带宽为100 Hz。为了降低整个系统的成本，停放硬盘驱动器磁头所需的时间不应超过150毫秒。因此，从检测到自由落体到完成停车的总时间不超过190毫秒。这远远小于便携式产品从3英尺高处下落所需的432毫秒。

本文描述的算法几乎适用于上述所有情况。它唯一不能检测到的情况是自由落体事件，在自由落体过程中，在下落发生的瞬间，所检测到的X和Y加速度的平方的时间导数仍然可以忽略不计。但这种情况不大可能发生，而且根据我们的经验，这种情况从未发生过。

ADXL320 2轴加速度计

ADXL320是一款低成本，低功耗，双轴加速度测量系统，具有信号调节电压输出，全部在单个单片IC上。该产品测量加速度的满量程为±5g(典型)。ADXL320封装在非常薄的4毫米× 4毫米× 1.45毫米16引脚塑料LFCSP中。

该加速度计包含传感器和信号调理电路，实现开环加速度测量架构。输出信号是与正交加速度成正比的两个电压。

传感器是一种多晶硅，表面微机械结构，建立在硅晶片的顶部。多晶硅弹簧将结构悬浮在晶圆片表面上，并提供抗加速度的阻力。结构的挠度是用一个由固定的独立板相对于附着在移动质量上的板形成的差分电容器来测量的。

固定板由180°反相的方波驱动。当器件受到加速力时，光束偏转，使差分电容失去平衡，从而产生振幅与加速度成正比的输出方波。相敏解调电路，包含在解调模块在插图中，然后用于整流信号和确定是否加速度是正或负。

解调器沿着ADXL320的X轴和Y轴测量的加速度由输出放大器放大，并通过32-k欧姆电阻带离芯片，如图所示。外部电容器可用来提供滤波。

ADXL低加速度计选择表第1部分

ADXL低加速度计选择表第2部分

*传感器带宽由客户在应用程序中设置。

参考电路

(1) Naoki川。“技术分析:手机硬盘可以承受1.5米的跌落。”日经电子亚洲，2005年1月。

*已申请专利。

致谢

作者要感谢Harvey Weinberg和Christophe Lemaire的技术专长。作者还要感谢Justin Littlefield和Steve Grossman在撰写本文时提供的帮助。