車載視頻記錄系統(tǒng)的機械硬盤振動保護策略研究

劉讓周 徐琥

長沙智能駕駛研究院有限公司 湖南省長沙市 410036

1 引言

隨著視頻處理技術的發(fā)展和對汽車智能化水平要求的提高，車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)已被廣泛使用于長途客車、危化品車、公交車以及執(zhí)法車等。為了達到長時間視頻存儲的要求，硬盤是車載視頻記錄系統(tǒng)中的重要部件，由于機械硬盤具有性價比高、容量大、數(shù)據(jù)易恢復等優(yōu)點而被廣泛使用。

車載環(huán)境中，除溫度、電磁等環(huán)境適應性條件外，振動是一個必須面對的因素，硬盤的減振技術顯得尤為重要。目前硬盤對于振動的保護主要從兩個方面入手：一種是采用通過物理方式進行隔振設計或者主動抑制振動，隔振設計較為常用，通常采用橡膠材料或者鋼絲繩來制作減振裝置；另一種是廠家在硬盤內(nèi)部設計了主動保護功能，當硬盤發(fā)生強烈撞擊時使磁頭暫停操作以保護硬盤，這種方式對于一般的振動保護作用有限。

本文在系統(tǒng)采用了橡膠材料設計的減振裝置基礎上，借鑒硬盤主動保護的思路，設計了系統(tǒng)級的振動保護策略。系統(tǒng)采用eMMC 作為暫存區(qū)，視頻數(shù)據(jù)首先存儲到該暫存區(qū)，并實時對系統(tǒng)的振動情況進行檢測，當振動幅度較小時，快速將暫存區(qū)的數(shù)據(jù)存入硬盤中，而檢測到較大的振動時停止寫入硬盤，并將磁頭置于停泊區(qū)，由于暫存區(qū)空間較大，能夠保證振動時間持續(xù)較長時不會丟失數(shù)據(jù)。測試結果表明，該策略在車載環(huán)境中對硬盤的保護效果明顯。

2 振動保護策略實現(xiàn)原理

2.1 硬盤振動損壞風險及保護

機械硬盤內(nèi)部結構示意圖如圖 1 所示，硬盤工作時，盤面在主軸電機的驅動下高速旋轉，磁頭則由轉臂帶動尋找到需要的磁道進行讀寫，磁頭和盤面間只有幾微米的間隙，為了保護盤面，當硬盤停止工作時，轉臂帶動磁頭離開盤面，回歸到停泊區(qū)。

圖1 機械硬盤結構示意圖

汽車在行駛過程中會因為路況不同而使硬盤處在不同的振動工況下，由于磁頭和盤面間距很小，在較強的振動環(huán)境中，特別是顛簸路面時，極有可能發(fā)生磁頭和盤面接觸，從而損壞硬盤。因此，本文采用的方法是當振動幅度超過給定閾值時，停止硬盤的讀寫，主動發(fā)送命令將磁頭歸位到停泊區(qū)，待振動幅值較小且趨于平穩(wěn)時，重新開始數(shù)據(jù)的讀寫。

2.2 振動保護策略

系統(tǒng)的振動保護策略原理示意圖如圖2所示。車載視頻記錄系統(tǒng)要求對視頻進行連續(xù)記錄，在硬盤前增加了一個暫存區(qū)，以保證視頻不丟失。

圖2 振動保護策略原理示意圖

前端的4 路視頻輸入到系統(tǒng)中，使用H.264 方式對視頻進行編碼，并存入暫存區(qū)。該暫存區(qū)是eMMC 中的一個邏輯分區(qū)，已編碼的視頻流以固定文件大小存入該暫存區(qū)中，eMMC 為非易失存儲器，掉電或者硬盤意外損壞時可以保證最新的視頻存儲在該區(qū)域。暫存區(qū)的輸出端可以根據(jù)振動情況的決策是否寫入硬盤。振動檢測模塊實時檢測系統(tǒng)的振動幅度，當振動幅度高于設定的閾值時，關閉硬盤的寫入操作，并向硬盤發(fā)送STANDBY IMMEDIATE 命令使硬盤進入待機模式，此時硬盤的磁頭歸位到停泊區(qū)；當振動幅度較長時間小于設定的閾值且暫存區(qū)的數(shù)據(jù)達到一定量時，開啟硬盤的寫入操作，將暫存區(qū)的數(shù)據(jù)轉移到硬盤中。

由于壓縮后的視頻數(shù)據(jù)較小，而硬盤的寫入速度很高，可以在很短的時間內(nèi)將暫存區(qū)的數(shù)據(jù)轉移進硬盤，之后讓硬盤進入待機模式，使磁頭大部分時間處在停泊區(qū)內(nèi)，大大減少因振動可能和盤面接觸導致?lián)p壞的風險。

3 硬盤振動保護策略實現(xiàn)

3.1 振動信號采集

振動可以通過加速度傳感器獲取，很多半導體廠商都有MEMS 加速度傳感器產(chǎn)品，常用的三軸加速度傳感器原理圖示意圖如圖3 所示。

圖3 加速度傳感器

三軸加速度傳感器能夠檢測，，三個方向的加速度，對于單方向的振動，可以由三個方向的向量和求得。本文所述的車載視頻記錄系統(tǒng)中，對于振動的方向并不敏感，而只需要關注振動的幅度，即模長：

其中a，b，c，分別為加速度傳感器三個方向上的幅值，g則是合成的振動幅值。為了得到較平穩(wěn)的振動值，系統(tǒng)采用滑窗濾波，選取長度為L 的窗長，即可得到一段時間的振動值：

本文采用NXP 的FXLS8974CF，它是一個量程可供用戶選擇的MEMS 三軸加速度傳感器，最大可達16g，本文所述系統(tǒng)中應用時，選擇4g 為最大量程，其硬件原理圖如圖4 所示。

圖4 振動采集原理圖

加速度傳感器通過使用I2C 接口與處理器連接，MOT_DET 為運動檢測輸出，用于異常撞擊的快速檢測，連接到處理器的GPIO。數(shù)據(jù)以100Hz 的速率由處理器主動查詢，并進行滑窗濾波等后處理。

3.2 暫存區(qū)空間確定

暫存區(qū)是實現(xiàn)本文的振動保護策略中重要的一個環(huán)節(jié)，對于暫存區(qū)的選擇，主要考慮兩個方面因素：

（1）使用非易失存儲器，由于暫存區(qū)存儲的是最新的視頻數(shù)據(jù)，一般車輛發(fā)生意外等情況都是斷電前幾分鐘數(shù)據(jù)最有價值，所以暫存區(qū)的數(shù)據(jù)不能因為斷電而丟失，本文采用的辦法是直接在eMMC 中分配一個分區(qū)作為暫存區(qū)。

（2）空間大小的選擇，為了在較長時間的振動環(huán)境中不需要開啟硬盤，而視頻數(shù)據(jù)不丟失，需要暫存區(qū)有較大的空間。

對于分辨率為1080p 的視頻，考慮到壓縮的效果，一般使用的平均為2Mbps 的碼流。本文所述車載視頻記錄系統(tǒng)有四路視頻輸入，則壓縮后為每秒1M 字節(jié)，意味著每小時視頻需要的存儲量為3600M 字節(jié)，約為3.5GB。機械硬盤的寫入速度可達90MB/s，考慮系統(tǒng)的綜合性能，按照60MB/s 來計算，只需要一分鐘即可將暫存區(qū)的數(shù)據(jù)寫入硬盤，可見硬盤的讀寫時間大為縮短，同時意味著因為振動損壞的風險大為降低。

本文所述系統(tǒng)中使用了一片8GB 的eMMC 芯片，將其中的4GB 用來存放系統(tǒng)文件，剩余的4GB 則作為視頻暫存區(qū)使用，可進行至少一個小時的視頻存儲。

3.3 視頻文件管理

前端視頻經(jīng)壓縮后以視頻流的形式進來，將按照固定大小的文件進行連續(xù)存儲，暫存區(qū)是一個邏輯分區(qū)，暫存視頻文件，待合適的時機寫入到硬盤中。暫存區(qū)內(nèi)的文件用一個數(shù)據(jù)結構來管理，其結構如圖5 所示。

圖5 暫存區(qū)管理示意圖

該數(shù)據(jù)結構的核心是一個鏈表，每一個鏈表結點中存放暫存區(qū)中對應的文件名。每個文件按照固定大小存儲，當一個文件寫滿后，開辟一個新的結點并加到鏈表的尾部，同時開始一個新的文件寫入。

文件名按照時間順序命名，方便后續(xù)的查找，同時鏈表的順序即視頻文件順序，當滿足硬盤寫入條件時，從鏈表的前端結點開始，按照順序將文件寫入硬盤，避免對文件再次排序。已經(jīng)寫入硬盤的文件從暫存區(qū)刪除，并刪除對應結點，鏈表的結點數(shù)對應暫存區(qū)的數(shù)據(jù)量，用于寫入硬盤的決策條件。

3.4 硬盤讀寫開啟判定

由前文可知，硬盤讀寫操作是振動環(huán)境下?lián)p壞風險最高的，因此盡量避免讀寫操作，一旦開始讀寫，應盡可能多地將數(shù)據(jù)寫入硬盤中。開啟讀寫操作的判定依據(jù)主要是以下幾個方面：

（1）振動工況，考慮當振動的平均幅值小于安全閾值時，可以根據(jù)暫存區(qū)的數(shù)據(jù)量來決定開啟讀寫操作。

（2）暫存區(qū)數(shù)據(jù)量，數(shù)據(jù)量積累越多再寫入硬盤意味著可以一次性寫入更多數(shù)據(jù)，但是數(shù)據(jù)丟失風險更大，本文選擇在數(shù)據(jù)量達到暫存區(qū)50%時開啟寫入操作。

4 測試結果

本文所述系統(tǒng)設計完后，參照國家標準GB/T 28046.3-2011 進行了機械振動測試，并對使用本文所述的振動保護策略前后進行了對比。

使用相同的12 臺樣機，分為兩組，其中一組使用了本文所述的振動保護策略，另一組則未使用，將它們置于同一測試臺進行了8小時的連續(xù)振動和隨機振動試驗。試驗完成后，未使用本文所述振動保護策略的樣機中有1 臺硬盤損壞，無法讀寫，另1 臺讀寫速度下降到正常時候的40%，其它4 臺功能正常；使用了本文所述的振動保護策略的6 臺樣機功能均正常?？梢娫摬呗詫τ脖P的保護效果明顯。

5 結語

本文通過對車載視頻記錄系統(tǒng)中硬盤在車載振動條件下硬盤的損壞風險及保護機理進行分析，提出增加暫存區(qū)的振動保護策略，并詳細闡述了該策略的實現(xiàn)方法，最后對樣機進行了分組振動對比測試。測試結果表明，該振動保護策略能夠對硬盤進行有效保護。