刘让周 徐琥

长沙智能驾驶研究院有限公司 湖南省长沙市 410036

1 引言

随着视频处理技术的发展和对汽车智能化水平要求的提高，车载视频监控系统已被广泛使用于长途客车、危化品车、公交车以及执法车等。为了达到长时间视频存储的要求，硬盘是车载视频记录系统中的重要部件，由于机械硬盘具有性价比高、容量大、数据易恢复等优点而被广泛使用。

车载环境中，除温度、电磁等环境适应性条件外，振动是一个必须面对的因素，硬盘的减振技术显得尤为重要。目前硬盘对于振动的保护主要从两个方面入手：一种是采用通过物理方式进行隔振设计或者主动抑制振动，隔振设计较为常用，通常采用橡胶材料或者钢丝绳来制作减振装置；另一种是厂家在硬盘内部设计了主动保护功能，当硬盘发生强烈撞击时使磁头暂停操作以保护硬盘，这种方式对于一般的振动保护作用有限。

本文在系统采用了橡胶材料设计的减振装置基础上，借鉴硬盘主动保护的思路，设计了系统级的振动保护策略。系统采用eMMC 作为暂存区，视频数据首先存储到该暂存区，并实时对系统的振动情况进行检测，当振动幅度较小时，快速将暂存区的数据存入硬盘中，而检测到较大的振动时停止写入硬盘，并将磁头置于停泊区，由于暂存区空间较大，能够保证振动时间持续较长时不会丢失数据。测试结果表明，该策略在车载环境中对硬盘的保护效果明显。

2 振动保护策略实现原理

2.1 硬盘振动损坏风险及保护

机械硬盘内部结构示意图如图 1 所示，硬盘工作时，盘面在主轴电机的驱动下高速旋转，磁头则由转臂带动寻找到需要的磁道进行读写，磁头和盘面间只有几微米的间隙，为了保护盘面，当硬盘停止工作时，转臂带动磁头离开盘面，回归到停泊区。

图1 机械硬盘结构示意图

汽车在行驶过程中会因为路况不同而使硬盘处在不同的振动工况下，由于磁头和盘面间距很小，在较强的振动环境中，特别是颠簸路面时，极有可能发生磁头和盘面接触，从而损坏硬盘。因此，本文采用的方法是当振动幅度超过给定阈值时，停止硬盘的读写，主动发送命令将磁头归位到停泊区，待振动幅值较小且趋于平稳时，重新开始数据的读写。

2.2 振动保护策略

系统的振动保护策略原理示意图如图2所示。车载视频记录系统要求对视频进行连续记录，在硬盘前增加了一个暂存区，以保证视频不丢失。

图2 振动保护策略原理示意图

前端的4 路视频输入到系统中，使用H.264 方式对视频进行编码，并存入暂存区。该暂存区是eMMC 中的一个逻辑分区，已编码的视频流以固定文件大小存入该暂存区中，eMMC 为非易失存储器，掉电或者硬盘意外损坏时可以保证最新的视频存储在该区域。暂存区的输出端可以根据振动情况的决策是否写入硬盘。振动检测模块实时检测系统的振动幅度，当振动幅度高于设定的阈值时，关闭硬盘的写入操作，并向硬盘发送STANDBY IMMEDIATE 命令使硬盘进入待机模式，此时硬盘的磁头归位到停泊区；当振动幅度较长时间小于设定的阈值且暂存区的数据达到一定量时，开启硬盘的写入操作，将暂存区的数据转移到硬盘中。

由于压缩后的视频数据较小，而硬盘的写入速度很高，可以在很短的时间内将暂存区的数据转移进硬盘，之后让硬盘进入待机模式，使磁头大部分时间处在停泊区内，大大减少因振动可能和盘面接触导致损坏的风险。

3 硬盘振动保护策略实现

3.1 振动信号采集

振动可以通过加速度传感器获取，很多半导体厂商都有MEMS 加速度传感器产品，常用的三轴加速度传感器原理图示意图如图3 所示。

图3 加速度传感器

三轴加速度传感器能够检测，，三个方向的加速度，对于单方向的振动，可以由三个方向的向量和求得。本文所述的车载视频记录系统中，对于振动的方向并不敏感，而只需要关注振动的幅度，即模长：

其中a，b，c，分别为加速度传感器三个方向上的幅值，g则是合成的振动幅值。为了得到较平稳的振动值，系统采用滑窗滤波，选取长度为L 的窗长，即可得到一段时间的振动值：

本文采用NXP 的FXLS8974CF，它是一个量程可供用户选择的MEMS 三轴加速度传感器，最大可达16g，本文所述系统中应用时，选择4g 为最大量程，其硬件原理图如图4 所示。

图4 振动采集原理图

加速度传感器通过使用I2C 接口与处理器连接，MOT_DET 为运动检测输出，用于异常撞击的快速检测，连接到处理器的GPIO。数据以100Hz 的速率由处理器主动查询，并进行滑窗滤波等后处理。

3.2 暂存区空间确定

暂存区是实现本文的振动保护策略中重要的一个环节，对于暂存区的选择，主要考虑两个方面因素：

（1）使用非易失存储器，由于暂存区存储的是最新的视频数据，一般车辆发生意外等情况都是断电前几分钟数据最有价值，所以暂存区的数据不能因为断电而丢失，本文采用的办法是直接在eMMC 中分配一个分区作为暂存区。

（2）空间大小的选择，为了在较长时间的振动环境中不需要开启硬盘，而视频数据不丢失，需要暂存区有较大的空间。

对于分辨率为1080p 的视频，考虑到压缩的效果，一般使用的平均为2Mbps 的码流。本文所述车载视频记录系统有四路视频输入，则压缩后为每秒1M 字节，意味着每小时视频需要的存储量为3600M 字节，约为3.5GB。机械硬盘的写入速度可达90MB/s，考虑系统的综合性能，按照60MB/s 来计算，只需要一分钟即可将暂存区的数据写入硬盘，可见硬盘的读写时间大为缩短，同时意味着因为振动损坏的风险大为降低。

本文所述系统中使用了一片8GB 的eMMC 芯片，将其中的4GB 用来存放系统文件，剩余的4GB 则作为视频暂存区使用，可进行至少一个小时的视频存储。

3.3 视频文件管理

前端视频经压缩后以视频流的形式进来，将按照固定大小的文件进行连续存储，暂存区是一个逻辑分区，暂存视频文件，待合适的时机写入到硬盘中。暂存区内的文件用一个数据结构来管理，其结构如图5 所示。

图5 暂存区管理示意图

该数据结构的核心是一个链表，每一个链表结点中存放暂存区中对应的文件名。每个文件按照固定大小存储，当一个文件写满后，开辟一个新的结点并加到链表的尾部，同时开始一个新的文件写入。

文件名按照时间顺序命名，方便后续的查找，同时链表的顺序即视频文件顺序，当满足硬盘写入条件时，从链表的前端结点开始，按照顺序将文件写入硬盘，避免对文件再次排序。已经写入硬盘的文件从暂存区删除，并删除对应结点，链表的结点数对应暂存区的数据量，用于写入硬盘的决策条件。

3.4 硬盘读写开启判定

由前文可知，硬盘读写操作是振动环境下损坏风险最高的，因此尽量避免读写操作，一旦开始读写，应尽可能多地将数据写入硬盘中。开启读写操作的判定依据主要是以下几个方面：

（1）振动工况，考虑当振动的平均幅值小于安全阈值时，可以根据暂存区的数据量来决定开启读写操作。

（2）暂存区数据量，数据量积累越多再写入硬盘意味着可以一次性写入更多数据，但是数据丢失风险更大，本文选择在数据量达到暂存区50%时开启写入操作。

4 测试结果

本文所述系统设计完后，参照国家标准GB/T 28046.3-2011 进行了机械振动测试，并对使用本文所述的振动保护策略前后进行了对比。

使用相同的12 台样机，分为两组，其中一组使用了本文所述的振动保护策略，另一组则未使用，将它们置于同一测试台进行了8小时的连续振动和随机振动试验。试验完成后，未使用本文所述振动保护策略的样机中有1 台硬盘损坏，无法读写，另1 台读写速度下降到正常时候的40%，其它4 台功能正常；使用了本文所述的振动保护策略的6 台样机功能均正常。可见该策略对硬盘的保护效果明显。

5 结语

本文通过对车载视频记录系统中硬盘在车载振动条件下硬盘的损坏风险及保护机理进行分析，提出增加暂存区的振动保护策略，并详细阐述了该策略的实现方法，最后对样机进行了分组振动对比测试。测试结果表明，该振动保护策略能够对硬盘进行有效保护。