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單位：江蘇多維科技有限公司         |       作者： James G.Deak， 郭海平     

自動(dòng)讀表的需求簡(jiǎn)介

自動(dòng)讀表技術(shù),，是一種將水表、能量表（氣表和電表）等流量計(jì)中數(shù)據(jù)自動(dòng)地傳輸?shù)娇刂浦行牡募夹g(shù),，其中數(shù)據(jù)包括用戶的流量（水,、氣、電）使用量數(shù)據(jù),、系統(tǒng)運(yùn)行健康情況數(shù)據(jù),，以及流量計(jì)的狀態(tài)數(shù)據(jù),。利用這些數(shù)據(jù)，供應(yīng)商可以進(jìn)行用戶費(fèi)用的計(jì)算,，系統(tǒng)的排查檢修,，流量使用情況的分析。自動(dòng)讀表技術(shù)的主要貢獻(xiàn)在于：避免流量供應(yīng)商到每個(gè)用戶所在地去記錄流量計(jì)中的用戶消費(fèi)數(shù)據(jù),。另外,，采用自動(dòng)讀表技術(shù)后，供應(yīng)商可以根據(jù)用戶的實(shí)時(shí)使用情況,，實(shí)時(shí)地計(jì)算出用戶的費(fèi)用,，而用傳統(tǒng)的方法，供應(yīng)商只能獲取用戶在過(guò)去的一段時(shí)間內(nèi)的使用量,。通過(guò)分析這種“實(shí)時(shí)”的信息,，供應(yīng)商可以根據(jù)用戶需求量控制水、電,、氣的生產(chǎn)量和存儲(chǔ)量,。同時(shí)，用戶可以分析并控制自己的使用量,。

目前使用的大多數(shù)流量計(jì)是多年前安裝在用戶端的,，當(dāng)時(shí)還未出現(xiàn)自動(dòng)讀表技術(shù)。在將自動(dòng)讀表技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際中時(shí),，需要解決一個(gè)問(wèn)題：需要將流量計(jì)中的計(jì)數(shù)單元進(jìn)行修改,，甚至完全被替換。本方案提出了一種不用改變?cè)械挠?jì)數(shù)單元的自動(dòng)讀表流量計(jì),，在不改變?cè)械牧髁坑?jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,，添加若干元件即可。本方案提出的自動(dòng)讀表流量計(jì),，保留了肉眼觀察字輪上數(shù)字的功能,，增加了智能化自動(dòng)讀表的功能。江蘇多維科技采用TMR技術(shù)生產(chǎn)的傳感器體積小,，精度高,，工作狀態(tài)穩(wěn)定，可以勝任該方案中的傳感元件,。

TMR傳感器概述

磁傳感器廣泛用于現(xiàn)代工業(yè)和電子產(chǎn)品中以感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)測(cè)量電流,、位置、方向等物理參數(shù),。在現(xiàn)有技術(shù)中,，有許多不同類型的傳感器用于測(cè)量磁場(chǎng)和其他參數(shù)，例如采用霍爾（Hall）元件,，各向異性磁電阻（Anisotropic Magnetoresistance, AMR）元件或巨磁電阻（Giant Magnetoresistance, GMR）元件為敏感元件的磁傳感器,。

TMR（Tunnel MagnetoResistance）元件是近年來(lái)開(kāi)始工業(yè)應(yīng)用的新型磁電阻效應(yīng)傳感器,，其利用的是磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應(yīng)對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行感應(yīng)，比之前所發(fā)現(xiàn)并實(shí)際應(yīng)用的AMR元件和GMR元件具有更大的電阻變化率,。我們通常也用磁隧道結(jié)（Magnetic Tunnel Junction,，MTJ）來(lái)代指TMR元件，MTJ元件相對(duì)于霍爾元件具有更好的溫度穩(wěn)定性,，更高的靈敏度,，更低的功耗，更好的線性度,，不需要額外的聚磁環(huán)結(jié)構(gòu),；相對(duì)于AMR元件具有更好的溫度穩(wěn)定性，更高的靈敏度,，更寬的線性范圍,，不需要額外的set/reset線圈結(jié)構(gòu)；相對(duì)于GMR元件具有更好的溫度穩(wěn)定性,，更高的靈敏度,，更低的功耗，更寬的線性范圍,。

TMR傳感器在自動(dòng)直讀式流量計(jì)中的應(yīng)用演示板說(shuō)明

 1.     演示板特點(diǎn)

?  兩顆Z軸傳感器測(cè)量每一個(gè)字輪的磁場(chǎng),；

? 不改變水表的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)；

?  傳感器只須微安級(jí)電流就能正常工作,，功耗低,；

?  當(dāng)磁攻擊時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào),。

圖1 燃?xì)獗碇械膽?yīng)用

圖1是TMR傳感器在燃?xì)獗碇械膽?yīng)用,，燃?xì)獗碛?個(gè)字輪，每個(gè)字輪上有0~9,，均勻分布的九個(gè)數(shù)字,，圖中為方便，只畫(huà)出了三個(gè)字輪,。每個(gè)字輪中鑲嵌有徑向磁化的永磁鐵,，其中位置“0”對(duì)應(yīng)一個(gè)磁極，該磁極產(chǎn)生的磁場(chǎng)垂直于字輪表面,，并且方向向外,。

每個(gè)字輪需要兩個(gè)TMR傳感器與之對(duì)應(yīng)，兩個(gè)傳感器呈90°安裝,。例如,，對(duì)于第一個(gè)字輪，有傳感器X1和Y1與之對(duì)應(yīng),。在該結(jié)構(gòu)中,，不需要改變流量計(jì)本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)，特別是傳動(dòng)結(jié)構(gòu),，只需要在字輪中鑲嵌永磁鐵,，并另外安裝兩塊PCB。

2.     演示板使用說(shuō)明

圖2是演示板的實(shí)物圖和原理框圖,，供電電壓為5V,。傳感器的模擬輸出電壓通過(guò)選通器，輸入到MCU中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和相應(yīng)計(jì)算,，MCU再將計(jì)算后的數(shù)字信號(hào)輸入到顯示器的芯片中,，使得字輪上的數(shù)字實(shí)時(shí)顯示在顯示器上。程序通過(guò)燒寫(xiě)接口寫(xiě)入到MCU中,。演示板可以使用開(kāi)源的Arduino進(jìn)行編程,。

通過(guò)長(zhǎng)按“SW mode”按鈕，可以改變顯示器的顯示模式,，圖3詳細(xì)顯示了第一個(gè)字輪的詳細(xì)信息,。圖中Ang為校正后的字輪的角度。在該模式下,，長(zhǎng)按“SW wheel”可以切換不同的字輪,，以查看不同字輪的詳細(xì)信息。圖2 演示板實(shí)物圖（左）和原理框圖（右）

圖3 詳細(xì)信息顯示模式

通過(guò)內(nèi)部算法,，可以實(shí)現(xiàn)流量計(jì)的報(bào)警功能,，即顯示“Tamper detected”，如圖4所示,。當(dāng)有一個(gè)磁鐵靠近字輪或者傳感器時(shí),，傳感器模擬輸出電壓會(huì)超出正常范圍。通過(guò)設(shè)定閾值,，可以實(shí)現(xiàn)“正常運(yùn)行”還是“收到攻擊”的判斷,。當(dāng)外加磁場(chǎng)消失后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)恢復(fù)到正常運(yùn)行的狀態(tài),，即顯示“Status normal”,。

圖4 報(bào)警信號(hào)

3.     測(cè)量原理

角度-刻度換算

圖5，6描述了TMR傳感器測(cè)量字輪的原理,。其中使用的傳感器的靈敏方向指向永磁鐵的圓心,。在圖5中，字輪顯示位置為“0”,，此時(shí)永磁鐵內(nèi)外的磁場(chǎng)如圖所示,。由圖中可見(jiàn)，X傳感器位置處磁場(chǎng)向上，即在傳感器的靈敏方向上磁場(chǎng)分量很大,。而Y傳感器處的磁場(chǎng)向下,，由于Y傳感器靈敏方向指向永磁鐵圓心，則磁場(chǎng)在Y傳感器靈敏方向分量為0,。此時(shí)對(duì)應(yīng)角度為0度,。

圖5 位置“0”時(shí)，永磁鐵周圍的磁場(chǎng)以及傳感器位置的磁場(chǎng)

上面是一個(gè)極端的例子,，下面分析一般的情況,，如圖6所示。在圖示的情況中,，永磁鐵在兩個(gè)傳感器位置產(chǎn)生的磁場(chǎng)與傳感器靈敏方向具有角度,，分別是α和β，磁場(chǎng)標(biāo)量值分別為A,B,。利用下面式子,，可以計(jì)算出永磁鐵的角度，即字輪的角度：

圖6 任意位置時(shí),，永磁鐵周圍的磁場(chǎng)以及傳感器位置的磁場(chǎng)

圖7 角度和刻度的擬合曲線

上圖是角度到刻度的變換所使用的擬合曲線,，每一個(gè)角度值對(duì)應(yīng)一個(gè)刻度值。在校準(zhǔn)時(shí),，只需將每個(gè)刻度值對(duì)應(yīng)的角度值輸入到表格中,，即可得到擬合曲線，擬合曲線的表達(dá)式為：

通過(guò)對(duì)A1, A2,…, A6進(jìn)行校準(zhǔn),，可以得到角度和刻度(上式中的Num)的正確的對(duì)應(yīng)關(guān)系,。系數(shù)主要取決于永磁鐵磁極和數(shù)字的位置關(guān)系、傳感器與永磁鐵位置關(guān)系,、傳感器安裝精度,。而在量產(chǎn)過(guò)程中，這些因素可以得到很好的控制,，不同字輪A1, A2,…, A6的變化很小,。通過(guò)擬合曲線算出來(lái)的刻度值并非整數(shù)，通過(guò)取整（可以是四舍五入）,，可以得到整數(shù)的刻度值,。

磁攻擊的檢測(cè)

當(dāng)有外部磁場(chǎng)攻擊時(shí)，會(huì)改變傳感器的模擬輸出電壓,。通過(guò)利用兩個(gè)互相垂直的傳感器的輸出電壓矢量和,，可以反映出外部攻擊磁場(chǎng)的大小，計(jì)算公式如下：

其中M是互相垂直的兩個(gè)傳感器的模擬輸出電壓矢量和,，Vx和Vy為所述兩個(gè)互相垂直的傳感器模擬輸出電壓,。若模擬電壓處于某一規(guī)定范圍的量值時(shí),，表明流量計(jì)正常運(yùn)行；否則,，則表示有外部的磁場(chǎng)攻擊,。 例如：在理想情況下測(cè)出M值，閾值可以設(shè)為1.2M和0.8M,，即電壓矢量和只有介于0.8M和1.2M時(shí),，流量計(jì)是正常工作的,；否則,，預(yù)示著流量計(jì)受到了磁場(chǎng)的攻擊，顯示器顯示“Tamper detected”,。

相鄰字輪間的屏蔽

由于8個(gè)字輪并排排列,，需要考慮字輪間的互相影響。在本演示板中,，在相鄰的字輪之間設(shè)置有屏蔽片,，以減小字輪對(duì)左右兩邊傳感器的影響，安裝位置如圖2所示,。圖7定性地描繪了屏蔽片的作用,。

圖7 (a)沒(méi)有屏蔽                          (b)有屏蔽

為了方便說(shuō)明，圖(a)中采用非導(dǎo)磁屏蔽片來(lái)代表沒(méi)有磁屏蔽的情況,。由圖中可以看出,，永磁鐵周圍的磁場(chǎng)分布基本左右對(duì)稱，傳感器處于該磁場(chǎng)中,。圖(b)代表有鐵磁屏蔽片的情況,，屏蔽片處于永磁鐵和傳感器之間，圖中可以看出,，由于受到屏蔽片的影響,，永磁鐵左邊的磁場(chǎng)絕大多數(shù)集中在屏蔽片內(nèi)，屏蔽片左邊的磁力線很稀疏,，說(shuō)明該處磁場(chǎng)很弱,。由于屏蔽片的存在，永磁鐵在傳感器位置處產(chǎn)生的磁場(chǎng)較沒(méi)有屏蔽片時(shí)小,。

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發(fā)明人

James Deak： [email protected]

Guo Haiping:  [email protected]