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採用雙軸加速計保護硬碟驅動器

上網時間: 2006年09月13日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:雙軸加速計  硬碟  三軸加速計  ADXL320  AD8542 

隨著筆記型電腦(NB)、可攜式媒體播放器(PMP)和個人數位助理(PDA)等可攜產品的應用日趨廣泛,硬碟驅動器的需求也水漲船高。與此同時,這些產品也迫切需要避免因用戶不慎使其墜地而為硬碟帶來的嚴重損害。

為了使硬碟應用更加穩定,必須主動或被動地增強其抗衝擊性。在被動保護方面,通常只要採用橡膠或瞬間膠(gel)等能夠吸引撞擊能量的材料就可以了。但是,如果可攜產品從高於一公尺的地方墜落,這類保護就失去了其功效。因此,可攜設備中並不採用這種被動保護方式,而通常採用主動保護的方式,也就是當加速計檢測到物體正墜落時,能主動停止讀取/寫入磁頭的工作,以避免磁頭與磁碟產生碰撞。這種保護方法被IBM公司率先用於2003年10月上市的筆記型電腦中。

當一個物體突然墜落時,加速計可以檢測到加速度沿著三個軸的方向減少到0,這是因為加速計與墜落的物體以相同的加速度墜向地面。當然,墜落的物體同時還可能具有角加速度。傳統的硬碟保護演算法基於自由落體建模,加速計的輸出具有四個連續的過程:靜止、翻轉、自由落體和撞擊。當一個物體從桌上墜落過程中,它在靜止、翻轉和自由降落階段的加速度很小,但在碰撞階段則迅速加大。

如果能盡早檢測到物體墜落,那麼就會有更多的時間來採取保護措施。雖然感測器的輸出在翻轉階段會出現變化,但差值還不夠顯著,不足以立即直接觸發硬碟保護功能生效。但是,從圖1我們可以看出,如果得出在翻轉期間的加速計在X軸和Y軸的輸出對時間的導數的平方和函數,就能檢測到一個很明顯的訊號。該圖是根據12位元類比數位轉換的輸出值計算出來的,採樣時間間隔是5ms。

正如我們所預料到的,在翻滾階段,時間導數的平方和很大;但到了自由落體階段,這個數值就變得很小。透過這一系列數據的變化,我們可確切判斷物體墜落現象的產生。現在,我們可以確定一種新的檢測演算法,在此稱之為微分加速度演算法:

(dX/dt)2 + (dY/dt)2 > 閾值

要應用微分加速度演算法,可採用雙軸加速計ADXL320、軌到軌放大器AD8542和智慧變換器前端元件ADuC832,其結構圖如圖2所示。加速計由一個感測器和訊號調節電路組成,因而實現開環加速度檢測。類比輸出電壓與加速度成比例變化。表面微加工多晶矽感測器透過多晶矽彈簧懸掛在矽晶圓表面上,使用一個差分電容器來檢測差分訊號,差分電容器由固定在矽晶片上的固定板和附在感測器上的可行動板組成。固定板由相位相差180度的平方波來驅動。當物體受到使其加速的力時,感測器的軸就會產生傾斜,於是差分動電容器失去平衡,這將使得輸出值的平方隨著加速度值的變化呈比例地波動。相敏檢波電路調整訊號並且確定加速度是正值還是負值。

有人也許會問,硬碟保護系統是否需要一個三軸感測器?答案是否定的。如上所述,在保護系統中使用雙軸加速計ADXL320,便可實現前述的加速度差值演算法,雙軸感測器除了節省成本,還能節省空間降低功耗。


我們所建構的硬碟保護系統,從自由落體開始到警報訊號產生的響應時間是40ms,每個通道的採樣率是300Sa/s,感測器的頻寬是100Hz。硬碟磁頭停止工作的時間不能超過150ms,所以從檢測到物體下落到磁頭完全停止工作的時間不會超過190ms。這個數字遠小於一個可攜式物體從3公尺處跌落所需的432ms時間。


圖2:在硬碟保護系統中無須採用三軸感測器,採用雙軸加速計即可,並能節省空間和降低功耗

作者:廖文帥

資深應用工程師

   趙一鳴

現場應用工程師

ADI公司北京辦事處




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