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

自動讀表的需求簡介

自動讀表技術(shù)，是一種將水表、能量表（氣表和電表）等流量計中數(shù)據(jù)自動地傳輸?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)運行健康情況數(shù)據(jù)，以及流量計的狀態(tài)數(shù)據(jù)。利用這些數(shù)據(jù)，供應商可以進行用戶費用的計算，系統(tǒng)的排查檢修，流量使用情況的分析。自動讀表技術(shù)的主要貢獻在于：避免流量供應商到每個用戶所在地去記錄流量計中的用戶消費數(shù)據(jù)。另外，采用自動讀表技術(shù)后，供應商可以根據(jù)用戶的實時使用情況，實時地計算出用戶的費用，而用傳統(tǒng)的方法，供應商只能獲取用戶在過去的一段時間內(nèi)的使用量。通過分析這種“實時”的信息，供應商可以根據(jù)用戶需求量控制水、電、氣的生產(chǎn)量和存儲量。同時，用戶可以分析并控制自己的使用量。

目前使用的大多數(shù)流量計是多年前安裝在用戶端的，當時還未出現(xiàn)自動讀表技術(shù)。在將自動讀表技術(shù)應用到實際中時，需要解決一個問題：需要將流量計中的計數(shù)單元進行修改，甚至完全被替換。本方案提出了一種不用改變原有的計數(shù)單元的自動讀表流量計，在不改變原有的流量計機械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，添加若干元件即可。本方案提出的自動讀表流量計，保留了肉眼觀察字輪上數(shù)字的功能，增加了智能化自動讀表的功能。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)品中以感應磁場強度來測量電流、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量磁場和其他參數(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）元件是近年來開始工業(yè)應用的新型磁電阻效應傳感器，其利用的是磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應對磁場進行感應，比之前所發(fā)現(xiàn)并實際應用的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）來代指TMR元件，MTJ元件相對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傳感器在自動直讀式流量計中的應用演示板說明

 1.     演示板特點

?  兩顆Z軸傳感器測量每一個字輪的磁場；

? 不改變水表的傳動結(jié)構(gòu)；

?  傳感器只須微安級電流就能正常工作，功耗低；

?  當磁攻擊時，發(fā)出報警信號。

圖1 燃氣表中的應用

圖1是TMR傳感器在燃氣表中的應用，燃氣表有8個字輪，每個字輪上有0~9，均勻分布的九個數(shù)字，圖中為方便，只畫出了三個字輪。每個字輪中鑲嵌有徑向磁化的永磁鐵，其中位置“0”對應一個磁極，該磁極產(chǎn)生的磁場垂直于字輪表面，并且方向向外。

每個字輪需要兩個TMR傳感器與之對應，兩個傳感器呈90°安裝。例如，對于第一個字輪，有傳感器X1和Y1與之對應。在該結(jié)構(gòu)中，不需要改變流量計本身的機械結(jié)構(gòu)，特別是傳動結(jié)構(gòu)，只需要在字輪中鑲嵌永磁鐵，并另外安裝兩塊PCB。

2.     演示板使用說明

圖2是演示板的實物圖和原理框圖，供電電壓為5V。傳感器的模擬輸出電壓通過選通器，輸入到MCU中進行模數(shù)轉(zhuǎn)換和相應計算，MCU再將計算后的數(shù)字信號輸入到顯示器的芯片中，使得字輪上的數(shù)字實時顯示在顯示器上。程序通過燒寫接口寫入到MCU中。演示板可以使用開源的Arduino進行編程。

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

圖3 詳細信息顯示模式

通過內(nèi)部算法，可以實現(xiàn)流量計的報警功能，即顯示“Tamper detected”，如圖4所示。當有一個磁鐵靠近字輪或者傳感器時，傳感器模擬輸出電壓會超出正常范圍。通過設(shè)定閾值，可以實現(xiàn)“正常運行”還是“收到攻擊”的判斷。當外加磁場消失后，系統(tǒng)會自動恢復到正常運行的狀態(tài)，即顯示“Status normal”。

圖4 報警信號

3.     測量原理

角度-刻度換算

圖5，6描述了TMR傳感器測量字輪的原理。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”，此時永磁鐵內(nèi)外的磁場如圖所示。由圖中可見，X傳感器位置處磁場向上，即在傳感器的靈敏方向上磁場分量很大。而Y傳感器處的磁場向下，由于Y傳感器靈敏方向指向永磁鐵圓心，則磁場在Y傳感器靈敏方向分量為0。此時對應角度為0度。

圖5 位置“0”時，永磁鐵周圍的磁場以及傳感器位置的磁場

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

圖6 任意位置時，永磁鐵周圍的磁場以及傳感器位置的磁場

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，每一個角度值對應一個刻度值。在校準時，只需將每個刻度值對應的角度值輸入到表格中，即可得到擬合曲線，擬合曲線的表達式為：

通過對A1, A2,…, A6進行校準，可以得到角度和刻度(上式中的Num)的正確的對應關(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。通過擬合曲線算出來的刻度值并非整數(shù)，通過取整（可以是四舍五入），可以得到整數(shù)的刻度值。

磁攻擊的檢測

當有外部磁場攻擊時，會改變傳感器的模擬輸出電壓。通過利用兩個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的大小，計算公式如下：

其中M是互相垂直的兩個傳感器的模擬輸出電壓矢量和，Vx和Vy為所述兩個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，表明流量計正常運行；否則，則表示有外部的磁場攻擊。 例如：在理想情況下測出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，流量計是正常工作的；否則，預示著流量計受到了磁場的攻擊，顯示器顯示“Tamper detected”。

相鄰字輪間的屏蔽

由于8個字輪并排排列，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)沒有屏蔽                          (b)有屏蔽

為了方便說明，圖(a)中采用非導磁屏蔽片來代表沒有磁屏蔽的情況。由圖中可以看出，永磁鐵周圍的磁場分布基本左右對稱，傳感器處于該磁場中。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，說明該處磁場很弱。由于屏蔽片的存在，永磁鐵在傳感器位置處產(chǎn)生的磁場較沒有屏蔽片時小。

相關(guān)專利

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發(fā)明人

James Deak： [email protected]

Guo Haiping:  [email protected]