Защитите свой счетчик от «скрутки»: 3D-магнитный датчик Infineon

18 августа 2016

учёт ресурсовпотребительская электроникаInfineonстатьядатчикисредства разработки и материалы

Cовременные магнитные датчики позволяют производить измерения магнитной индукции по всем трем осям. Благодаря этому область их применения постоянно расширяется. Их используют в самых различных бесконтактных системах: энкодерах, датчиках положения, джойстиках и так далее. Применение трехосевого датчика TLV493D производства компании Infineon в системе защиты приборов учета от воздействия внешних магнитных полей имеет большие перспективы.

Приборы учета давно стали неотъемлемой частью системы потребления энергии. Счетчики газа, воды, электроэнергии, тепла можно встретить практически в любой квартире. Точный учет выгоден не только потребителям, но и самим поставщикам ресурсов. Однако серьезной проблемой в данной сфере было и остается воровство. Причем это не всегда несанкционированные подключения, иногда – достаточно высокотехнологичный обман. Недобросовестные потребители пытаются, и зачастую – успешно, манипулировать показаниями счетчиков. В народе это часто называют «скруткой» счетчиков.

Здесь стоит сделать небольшое отступление. Не нужно думать, что манипуляциями с приборами учета занимаются только в России. Как показывают исследования, в развитых странах объем воровства составляет 10…40% от потребления. А это $25 триллионов в год!

По этой причине существует множество специализированных национальных и интернациональных стандартов, в которых указаны требования по устойчивости счетчиков к внешним воздействиям магнитных полей. Например, МЭК 62053-22 – интернациональный стандарт, ANSI C12-202002 в США, IS13779 и CBIP-304 в Индии. В России используют русифицированный стандарт МЭК 62053-22: ГОСТ 31819.22-2012.

Для того чтобы выпустить счетчик на рынок, необходимо, чтобы он имел высокий уровень защиты от внешних магнитных полей.

Рис. 1. Трехмерный магнитный датчик

Рис. 1. Трехмерный магнитный датчик

Одним из решений по борьбе с манипулированием показаниями счетчиков является обнаружение внешних магнитных полей самим прибором учета, что дает возможность поймать мошенников за руку. Для этой цели используют магнитные датчики.

Раньше, когда существовали только одноосевые магнитные датчики, решить эту проблему было достаточно сложно. Однако с появлением новых трехосевых сенсоров все становится намного проще. Достаточно одного такого датчика, чтобы обнаружить приближающийся магнит. При этом не важно, с какой стороны его подносит злоумышленник. Сенсор формирует полную объемную сферу чувствительности (рисунок 1).

С такой задачей отлично справляется трехосевой магнитный датчик TLV493DA1B6 производства компании Infineon. Рассмотрим его структуру и особенности применения в различных приложениях и проанализируем преимущества, которые дает его использование при защите приборов учета от магнитных полей: упрощение конструкции и схемотехнической реализации, снижение стоимости и уровня потребления.

Магнитный датчик TLV493D-A1B6 от Infineon

 

Рис. 2. Внешний вид магнитного датчика TLV493DA1B6 производства компании Infineon

Рис. 2. Внешний вид магнитного датчика TLV493DA1B6 производства компании Infineon

TLV493D-A1B6 – трехосевой магнитный датчик с цифровым коммуникационным интерфейсом I2C, выполненный в миниатюрном корпусе TSOP-6 размером всего 2,9х2,5 мм (рисунок 2).

Корпус TSOP-6 имеет всего шесть выводов, причем ровно половина из них – выводы земли (GND). Еще один – вывод питания VCC, два оставшихся служат для подключения к шине I2C (SDA и SCL/INT). Несмотря на такую внешнюю простоту, внутренняя структура у TLV493D-A1B6 достаточно сложна.

Микросхема TLV493D-A1B6 объединяет в себе около десятка функциональных блоков (рисунок 3): три независимых датчика Холла, датчик температуры, 12-битный АЦП, мультиплексор, блок питания, регистры и логику управления, коммуникационный блок I2C.

Все датчики Холла имеют одинаковую конструкцию, но взаимно ортогональную ориентацию вдоль осей OX, OY, OZ. В итоге напряжение выходного сигнала каждого из сенсоров зависит от положения магнитного объекта вдоль конкретной оси. По суммарным показаниям всех трех сенсоров можно определять пространственное положение магнитного элемента.

Рис. 3. Структура магнитного датчика TLV493D-A1B6

Рис. 3. Структура магнитного датчика TLV493D-A1B6

Измеряемый диапазон индукции магнитного поля составляет ±130 мТл для каждой оси (таблица 1). При этом предельное значение индукции поля достигает 1 Тл.

Таблица 1. Характеристики трехосевого магнитного датчика TLV493D

Характеристика Значение
Число осей 3 (X, Y, Z)
Интерфейс связи I2C
Скорость передачи I2C, Мбит/с 1
Диапазон напряжений питания, В 2,85…3,5
Диапазон рабочих температур, °C -40…125
Корпус TSOP-6
Измерение магнитного поля
Разрешение АЦП (все каналы), бит 12
Диапазон измеряемой индукции магнитных полей, мТл ±130
Максимальная индукция магнитного поля, Тл 1
Чувствительность измерения индукции, LSB/мТл 10,2
Разрешение при измерении индукции, мкТл/LSB 98
Изменение чувствительности, % ±20
Максимальное смещение, мТл ±1

Чтобы понять, много это или мало, стоит привести несколько широко известных значений. Например, индукция магнитного поля Земли зависит от широты и составляет в среднем 5•10-5 Тл (50° широты), а на экваторе 3,1•10-5 Тл. Еще один пример – индукция отклоняющих магнитов Большого адронного коллайдера составляет 0,54…8,3 Тл. Таким образом, датчик совершенно спокойно может работать с обычными магнитами при наличии фонового магнитного поля Земли.

Кроме магнитных датчиков, в структуре TLV493D-A1B6 предусмотрен датчик температуры. Он необходим для компенсации температурных дрейфов. Его невысокой точности (±10°C), в большинстве случаев бывает достаточно для выполнения простой калибровки и защиты от перегрева.

Оцифровка выходных сигналов всех датчиков (датчиков Холла и датчика температуры) производится с помощью единственного 12-битного АЦП последовательного приближения. Коммутация датчиков производится с помощью мультиплексора.

12-битный АЦП позволяет измерять индукцию с чувствительностью 10,2 LSB/мТл, а температуру – с чувствительностью 1,1 LSB/°C. Стоит отметить, что датчик имеет значительный дрейф чувствительности ±20% и относительно высокое значение дифференциальной нелинейности ±5 LSB. Тем не менее, этого вполне хватает для очень широкого круга приложений.

Быстродействие датчиков ограничено скоростью работы АЦП. Максимальная частота выборок при круговом опросе всех осей (без измерения температуры) достигает 3,3 кГц.

Результаты преобразований АЦП помещаются в буферные регистры, откуда их вычитывает управляющий микроконтроллер. Связь с микроконтроллером осуществляется по двухпроводной шине I2C. Частота передачи данных по I2C достигает 1 Мбит/с.

Несмотря на миниатюрное исполнение, TLV493DA1B6 имеет широкие возможности. Он способен выполнять достаточно точные и быстрые измерения индукции по всем трем осям и контролировать температуру. Это позволяет использовать данный датчик для обнаружения перемещений магнитных объектов по самым различным траекториям в самых различных приложениях.

Особенности использования магнитного датчика TLV493D

По показаниям всех трех ортогональных датчиков Холла можно отслеживать передвижения магнитного объекта (обычно это самый простой магнит) по любой траектории – вращения, линейные перемещения, сложные трехмерные движения (рисунок 4).

Рис. 4. Обнаружение перемещений различного типа с помощью TLV493D-A1B6

Рис. 4. Обнаружение перемещений различного типа с помощью TLV493D-A1B6

Линейные движения – самые простые, для их обнаружения достаточно простейшего одноосевого магнитного датчика. Примером таких приложений являются простейшие датчики открытия дверей, датчики положения рабочих механизмов или инструмента и другие.

Если требуется определять вращательные движения в прямом и обратном направлении – нужно задействовать уже две оси: два датчика Холла или один TLV493D-A1B6. Самыми простыми примерами таких систем являются бесконтактные энкодеры в ручках настройки громкости или подстройки частоты радиоприемников. В промышленности с помощью таких датчиков контролируют положение валов электродвигателей и частоту их вращения.

Рис. 5. Использование TLV493D-A1B6 в коробках передач

Рис. 5. Использование TLV493D-A1B6 в коробках передач

Рис. 6. Использование TLV493D-A1B6 в джойсти- ках и манипуляторах

Рис. 6. Использование TLV493D-A1B6 в джойстиках и манипуляторах

Существуют приложения, в которых совмещены вращательное и линейное движения в одной плоскости, например, контроль положения рычага передач в автомобилях (рисунок 5). Ось, на которой закреплен рычаг, находится выше магнитного элемента, расположенного на нижнем конце рычага. В результате при перемещении ручки магнит совершает вращательные движения. Чтобы определить положение рычага по магнитному элементу с помощью одноосевых датчиков, потребуется разбить всю траекторию на линейные участки. За каждый из участков будет отвечать один датчик. С помощью TLV493DA1B6 задача решается значительно проще – требуется всего один датчик, который отслеживает магнит в одной плоскости, при этом наличие еще одной оси позволяет компенсировать несоосное расположение датчиков и рычага.

Рассмотрим и самый сложный тип движения – трехмерные перемещения. Для их отслеживания потребуется минимум три одноосевых датчика Холла или один TLV493DA1B6. Примерами таких приложений являются различные манипуляторы.

На рисунке 6 изображена упрощенная конструкция джойстика, у которого ось совпадает с центром магнитного элемента. При этом поворот рычага ориентирует магнитное поле в трех измерениях. Чтобы обсчитать такую траекторию достаточно одного датчика TLV493D-A1B6. При этом к функциям джойстика можно с легкостью добавить функцию нажатия (когда механизм может совершать еще и продольные движения вдоль оси OZ).

Если внимательно присмотреться к последнему примеру, то выяснится, что реализовать его с помощью одноосевых датчиков проблематично. Чтобы однозначно контролировать сразу три оси, потребуется даже не три, а гораздо больше таких датчиков. Еще более сложным будет случай, когда положение магнита будет абсолютно произвольным. Вы скажете, что нет таких приложений? Зато правонарушения такие точно есть! Например, обман электронных счетчиков.

Защита электронных счетчиков с помощью TLV493DA1B6

Времена, когда поставка коммунальных услуг (электричества, воды, газа, тепла) осуществлялась без учета потребления, давно прошли. Сначала нормой жизни стали счетчики электричества, затем воды и газа, постепенно внедряются счетчики тепловой энергии.

Интересно наблюдать за эволюцией приборов учета на примере счетчиков электричества. Все помнят обычные механические диски советских счетчиков, монотонно вращающиеся в прихожих и на лестничных клетках многоэтажных домов. Сейчас счетчики представляют собой малогабаритные, но мощные вычислительные машины с поддержкой многотарифной сетки, с ЖК-экраном и беспроводными интерфейсами.

В основном развитие счетчиков вызвано желанием собственников жилья и поставщиков более точно учитывать потребление из-за высокой стоимости тарифов. Но есть и другие, более негативные факторы.

Повышение стоимости тарифов привело к росту интереса отечественных «кулибиных» к обману и скрутке счетчиков. Впрочем, началось все еще во времена Советского Союза. Наверное, у каждого человека был грамотный сосед или знакомый, который мог так умело положить магнит на электрический счетчик, что тот переставал считать. Однако в советское время это было редким явлением, так как стоимость тарифов была достаточно низкой. Сейчас же все изменилось.

В настоящее время старые дисковые счетчики более не разрешены – наступила эра электронно-механических и электронных приборов учета. Тем не менее, это не значит, что пропала необходимость в их защите от посягательств мошенников. В структуре любого прибора учета есть слабые места. Во избежание недопонимания в данной статье мы не станем их перечислять, но укажем простой и надежный способ обнаружения попыток обмана счетчиков с использованием магнитов.

Здесь стоит еще раз напомнить, что манипулированием приборов учета занимаются не только в России, но и в развитых странах, где тарифы еще выше, чем у нас. По этой причине в каждой стране счетчик должен соответствовать требованиям по устойчивости к внешним воздействиям магнитных полей.

В России для сертификации бытовых приборов учета используют русифицированный стандарт МЭК 62053-22: ГОСТ 31819.22-2012 (IEC 62053-22:2003) «Аппаратура для измерения электрической энергии переменного тока. Частные требования. Часть 22. Статические счетчики активной энергии классов точности 0,2S и 0,5S». В данном ГОСТе требования стойкости к внешним воздействиям магнитного поля приведены в разделах 8.2 и 8.2.3. Для стандартных счетчиков класса точности 0,5S и 0,2S дополнительная погрешность при воздействии внешней индукции не должна превышать 2%.

Это значит, что для того, чтобы создать и выпустить на рынок счетчик, в обязательном порядке придется обеспечивать его защиту от магнитного воздействия. Однако такое воздействие необходимо как минимум обнаружить. На рисунке 7 точка приложения магнитного поля не определена. Мошенник может начать проверять счетчик «на прочность» в любом удобном ему месте.

Рис. 7. Попытки с помощью постоянного магнита повлиять на работу счетчика

Рис. 7. Попытки с помощью постоянного магнита повлиять на работу счетчика

Для обнаружения магнитных полей логично использовать магнитные датчики. Применение одноосевых датчиков грозит рядом сложностей (рисунок 8):

  • потребуется как минимум два или три однотипных датчика;
  • каждый из датчиков в идеале должен быть сориентирован перпендикулярно двум другим;
  • как минимум один датчик придется ставить перпендикулярно основной плате счетчика, что абсолютно нетехнологично и неудобно;
  • наличие трех датчиков приведет к значительному росту потребления, что не всегда допустимо;
  • стоимость устройства значительно вырастет.

Рис. 8. Использование магнитных датчиков для защиты счетчиков

Рис. 8. Использование магнитных датчиков для защиты счетчиков

Все перечисленные проблемы решаются с помощью одного единственного TLV493DA1B6 (рисунок 8). Разместить его можно в любой части платы вместе с остальными компонентами схемы. Он позволит создать возле счетчика круговую зону чувствительности и сообщать управляющему контроллеру о любых посягательствах извне.

Применение TLV493DA1B6 имеет следующие преимущества:

  • Необходимость в только одном датчике для обнаружения магнитных воздействий;
  • простота конструкции счетчика, не требуется дополнительных перпендикулярных плат;
  • простота схемотехнической реализации;
  • низкая стоимость решения;
  • дополнительная возможность измерения температуры;
  • уменьшение габаритов устройства;
  • сверхнизкое потребление;
  • высокая надежность.

Электрические характеристики и схема включения TLV493D

Простота схемы включения, низкое потребление и надежность – бесспорные достоинства TLV493D.

TLV493D-A1B6 выпускается в шестивыводном корпусе TSOP-6, причем четыре вывода относятся к цепям питания. В результате схема включения TLV493D-A1B6 оказывается даже не простой, а элементарной. Для ее реализации потребуется всего несколько пассивных компонентов, большая часть из которых относится к I2C-интерфейсу (рисунок 9).

Рис. 9. Схема подключения магнитного датчика TLV493D-A1B6

Рис. 9. Схема подключения магнитного датчика TLV493D-A1B6

Говоря об уровне потребления, стоит отметить высокую гибкость работы TLV493D-A1B6. Изменяя частоту опроса и перечень опрашиваемых каналов, можно значительно изменять потребляемый ток микросхемы.

Кроме основного рабочего режима измерений TLV493D-A1B6 имеет три режима пониженного потребления, которые управляются с помощью внешнего контроллера (таблица 2):

  • Рабочий режим, при котором доступна максимальная частота опроса, однако расплатой за это становится и максимальное потребление до нескольких мА. Снизить питающий ток можно за счет уменьшения частоты опроса. Также стоит аккуратно обращаться с датчиком температуры: по подсчетам инженеров Infineon выключение датчика позволит сэкономить до 25% от мощности потребления.
  • В режиме Low Power частота опроса ограничена 100 Гц. Ток потребления составляет в среднем 80 мкА.
  • А режиме Ultra Low Power частота опроса ограничена 10 Гц. Ток потребления составляет в среднем 10 мкА.
  • В режиме Power Down датчик выключен и не производит измерений. Ток потребления не превышает 100 нА.

Таблица 2. Характеристики потребления TLV493D

Характеристика Значение
Диапазон напряжений питания, В 2,85…3,5
Ток потребления в режиме Power Down, нА, не более 100
Ток потребления в режиме Ultra Low Power, тип. мкА 10
Ток потребления в режиме Low Power, тип. мкА 80
Средний ток потребления за период 270 мкс, тип., мА 3,7

Высокая надежность TLV493DA1B6 определяется встроенной защитой от статики (ESD) (таблица 3). Датчик выдерживает разряд 1,5 кВ при испытаниях воздействия модели человеческого тела (HBM). При испытании контактного разряда крайние выводы корпуса выдерживают 700 В, а средние – до 500 В.

Таблица 3. Параметры защиты TLV493D-A1B6 от статики

Характеристика Значение, В
ESD (HBM) ±1500
ESD (CDM) 500

Для того чтобы максимально быстро ознакомиться со всеми достоинствами магнитных датчиков TLV493DA1B6, следует воспользоваться оценочным набором.

Оценочный набор 3D Magnetic Sensor 2 Go Kit

Оценочный набор 3D Magnetic Sensor 2 Go Kit включает в себя отладочную плату и постоянный магнит.

Отладочная плата предназначена для подключения к USB-порту компьютера. На плате расположен сам магнитный датчик, микроконтроллер XMC1100, регулятор напряжения для питания от USB, мост UART-USB, светодиоды и разъемы (рисунок 10).

Рис. 10. Базовая плата отладочного набора 3D Magnetic Sensor 2 Go Kit

Рис. 10. Базовая плата отладочного набора 3D Magnetic Sensor 2 Go Kit

Для работы с набором компания Infineon предлагает бесплатное ПО, которое можно скачать на сайте компании:

  • программу для ПК с графическим интерфейсом;
  • утилиту от компании Segger для программирования микроконтроллера XMC1100 (Infineon);
  • исполнительный код для микроконтроллера XMC1100.

Кроме того, к услугам пользователя предлагаются специализированные магнитные конструкции для создания джойстика (код заказа SP001491834) и поворотного регулятора (код заказа SP001504602). Они приобретаются отдельно. Внешний вид отладочной платы с установленными магнитными системами представлен на рисунке 11.

Рис. 11. Отладочный набор 3D Magnetic Sensor 2 Go Kit и дополнительные магнитные системы

Рис. 11. Отладочный набор 3D Magnetic Sensor 2 Go Kit и дополнительные магнитные системы

Заключение

TLV493DA1B6 – трехосевой магнитный датчик, который позволяет отслеживать самые сложные пространственные траектории магнитных объектов. Благодаря встроенному 12-битному АЦП чувствительность измерений по каждой оси достигает 98 мкТл/LSB при частоте опроса до 3,3 кГц.

TLV493DA1B6 позволяет реализовать целый ряд устройств – от датчика положения рычага коробки передач и цифровых энкодеров до сложных манипуляторов и джойстиков.

Одним из интересных приложений для TLV493D-A1B6 стали системы защиты счетчиков от воздействия внешних магнитных полей. С их помощью удается добиться снижения стоимости, сокращения потребления и упрощения схемотехнической и конструктивной реализации устройства в целом.

Литература

  1. Low Power 3D Magnetic Sensor with I2C Interface. TLV493D-A1B6 3D Magnetic Sensor. Datasheet. Rev.1. Infineon, 2016.
  2. Anti-Tampering Solution for E-Meter Application. TLV493D 3D Magnetic Sensor. Application Note. Rev.1. Infineon, 2015.
  3. Evaluation Kit for 3D Magnetic Sensor. TLV493D-A1B6 3D. Magnetic Sensor 2 Go Kit User’s Manual Rev. 1.1. Infineon, 2016.
  4. Using a Magnetic 3D Sensor in a Gear Stick Application. 3D Magnetic Sensors. Application Note. Rev.1. Infineon, 2015.
  5. How to Make a Magnetic Design for Joysticks. 3D Magnetic Sensor. Application Note. Rev.1. Infineon, 2016.
  6. http://www.Infineon.com.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

•••

Наши информационные каналы

О компании Infineon

Компания Infineon является мировым лидером по производству силовых полупроводниковых компонентов, а также занимает ведущие позиции по производству автомобильной полупроводниковой электроники и смарт-карт. В 2015 году компания Infineon приобрела компанию International Rectifier, тем самым значительно усилив свои лидирующие позиции в области силовой электроники. Это сочетание открывает новые возможности для клиентов, так как обе компании превосходно дополняют друг друга благодаря высокому уровню р ...читать далее

Товары
Наименование
TLV493D-A1B6 (INFIN)
TLV493DA1B6HTSA2 (INFIN)
TLV493D-A1B6 3D MAGNETIC SENSOR 2GO EVALUATION KIT SET (INFIN)
TLV493DA1B6MS2GOTOBO1 (INFIN)
TLV493D-A1B62GOKIT (INFIN)
TLV493DB1B6HTSA1 (INFIN)
TLV493DA1B62GOKITTOBO1 (INFIN)