Мехатронные устройства на примере накопителя на магнитных дисках типа «винчестер»

     Несущая конструкция:

     Эта конструкция объединяет гермоблок  и плату, на которой расположены  электронные компоненты. Она состоит  из массивной металлической рамы, которая своими размерами точно  совпадает со стандартным отсеком  крепления и защищает механику от деформаций. Для дополнительной защиты от вибрации на некоторых винчестерах  предусмотрены резиновые элементы. Кроме того, несущая конструкция выполняет функции охлаждающего радиатора.

     Пакет дисков:

     Диски изготовлены чаще из алюминия, реже - из керамики или стекла, и покрыты  тонким слоем окиси хрома, которая  имеет существенно большую износостойкость, чем покрытие на основе окиси железа в ранних моделях. Дисков редко бывает больше трех. Основная их функция –  нести информацию. Кроме пользовательской информации на диске записана контрольно-служебная информация и сервометки, предназначенные для точного позиционирования головок и управления скоростью вращения шпинделя, которая составляет несколько тысяч оборотов в минуту (обычно 5400 и 7200).

     Считывающие головки:

     По  традиции для записи/считывания информации с поверхности диска использовались индуктивные головки. Основной недостаток индуктивной головки считывания - сильная зависимость амплитуды  сигнала от скорости перемещения  магнитного покрытия и высокий уровень  шумов, затрудняющий верное распознавание  слабых сигналов. Магниторезистивная головка считывания представляет собой  резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от напряженности  магнитного поля, причем амплитуда  уже практически не зависит от скорости изменения поля. Это позволяет  намного более надежно считывать  информацию и диска и, как следствие, значительно повысить предельную плотность  записи. Магниторезистивные головки  используются только для считывания; запись по-прежнему выполняется индуктивными головками.

     Управляющий микропроцессор:

     Современный винчестер представляет собой самостоятельный  микрокомпьютер - с собственным процессором, памятью, устройствами ввода/вывода и  т.п. Его основные функции:

• диагностика всех систем при подаче питания;
• слежение за работой механики;
• нахождение необходимых данных на поверхности диска, позиционирование головок;
• исправление ошибок чтения с поверхности диска;
• обмен данными с контроллером жестких дисков;
• перекалибровка следящих систем, необходимая при изменении температурного режима.
• парковка головок, т.е. перемещение их в посадочную зону, при неожиданном выключении питания;
• ведение учета рабочих параметров (S.M.A.R.T. (Self Monitoring Analysis and Report Technology) - технология самостоятельного следящего анализа и отчетности).

Программа для микропроцессора храниться  в ПЗУ или в специальной  области диска.

     Схемы усиления и распознавания:

     В старых винчестерах декодирование  считанной информации выполнялось  путем непосредственного слежения за амплитудой, частотой или фазой  считанного сигнала. Но сегодня плотность  записи стала такой большой, что  уже невозможно четко и однозначно считывать сигнал с поверхности  диска - уровень помех и искажений  очень велик. Вместо прямого преобразования сигнала используется его сравнение  с набором образцов, и на основании  максимальной похожести делается заключение о приеме того или иного кодового слова, эту работы и выполняют  данные схемы. Такую технологию называют PRML (Partial Response, Maximum Likelihood) - максимальное правдоподобие при неполном отклике.

     Внешний источник энергии:

     Основным  источником энергии винчестера является блок питания компьютера. На жесткий  диск через стандартный разъем подаются напряжения +5 и +12 В.

     Внутренний  источник энергии:

     При внезапном отключении внешнего питания  очень важно не повредить имеющуюся  на диске информацию. Для этого  необходимо заблокировать подачу тока записи в магнитные головки и  переместить их в посадочную зону. Источниками энергии при этом являются либо оставшийся заряд конденсаторов  на плате электроники, либо работа электродвигателя привода шпинделя в режиме генератора. 
 
 
 

4. Работа  винчестера.

     При включении питания микропроцессор винчестера выполняет тестирование электроники, после чего выдает команду  включения шпиндельного двигателя. При достижении некоторой критической  скорости вращения плотность увлекаемого  поверхностями дисков воздуха становится достаточной для преодоления  силы прижима головок к поверхности  и поднятия их на высоту от долей  до единиц микрон над поверхностями  дисков - головки "всплывают". С  этого момента и до снижения скорости ниже критической головки "висят" на воздушной подушке и совершенно не касаются поверхностей дисков, поэтому  ни диски, ни сами головки практически  не изнашиваются.

     После достижения дисками скорости вращения, близкой к номинальной головки  выводятся из посадочной зоны, и  начинается поиск сервометок для  точной стабилизации скорости вращения. Поскольку в любой зоне дисков присутствует серворазметка, то сервоимпульсы  начинают поступать с головок  сразу же после начала вращения, и по их частоте можно судить о  скорости вращения дисков. Система  стабилизации вращения постоянно следит за потоком сервоимпульсов, и при  достижении номинальной скорости происходит так называемый “захват”, при котором  любое отклонение скорости вращения сразу же корректируется изменением тока в обмотках двигателя.

     При достижении номинальной скорости вращения освобождается фиксатор привода  головок, и система управления проверяет  его способность поворачиваться и удерживаться на выбранном месте. Для этого делается серия быстрых  поворотов в разные стороны, что  на слух воспринимается, как характерное  “тарахтение” винчестера через несколько  секунд после старта. Во время перемещения  головок постоянно идет слежение за поступающими с головок сервоимпульсами, и система управления всегда знает, над сколькими дорожками прошла головка. Аналогично происходит и удержание  головки над выбранной дорожкой - при отклонении от центра дорожки  изменяется величина и форма сервоимпульсов, и система управления ликвидирует  отклонение, изменяя ток в обмотках привода. Во время тестирования привода  головок заодно делается и его  калибровка - подбор параметров управляющих  сигналов для наиболее быстрого и точного перемещения головок при минимальном количестве “промахов”.

     Затем выполняется считывание информации из служебной зоны. В ПЗУ винчестера храниться только программа начального запуска. В ОЗУ же загружаются  остальные части управляющей  программы. Кроме всего прочего, в ОЗУ загружается так называемая карта переназначения дефектов, в  которой отмечены дефектные секторы, выявленные при заводской разметке дисков; эти секторы исключаются  из работы и подменяются резервными, которые имеются на каждой дорожке  и еще в отдельных зонах  каждого диска. Таким образом, даже если диски и имеют дефекты (а  при современной плотности записи они имеют их всегда), для пользователя создается впечатление “чистого”  винчестера, свободного от сбойных  секторов.

     После начальной настройки электроники  и механики микрокомпьютер винчестера переходит в режим ожидания команд от контроллера, расположенного на системной  плате. Получив команду, он включает нужную головку, по сервоимпульсами  отыскивает нужную дорожку, дожидается, пока до головки “доедет” нужный сектор, и выполняет считывание или запись информации. Если контроллер запросил чтение/запись не одного сектора, а  нескольких - винчестер может работать в так называемом блочном режиме, используя ОЗУ в качестве буфера и совмещая чтение/запись с передачей  информации к контроллеру или  от него.

     Во  время работы постоянно работает система слежения за положением головки  на диске: из непрерывно считываемого сигнала выделяется сигнал рассогласования, который подается в схему обратной связи, управляющую током обмоток  привода головок. При отклонении головки от центра дорожки в обмотках возникает сигнал, стремящийся вернуть  ее на место.

     При отключении питания микропроцессор выдает команду на установку головок  в парковочное положение, которая  успевает выполниться до снижения скорости вращения ниже критической. 
 

5. Источники.
1. mehatronika.narod.ru
2. www.citforum.ru
3. spider.nrcde.ru
4. www.ixbt.com