№5 / 2018 / статья 6

Датчик вскрытия корпуса электросчетчика без герконов, магнитов и датчиков Холла

Вячеслав Гавриков (г. Смоленск)

При создании счетчиков расходуемых ресурсов необходимо не только разработать надежную и точную измерительную систему, но и обеспечить защиту от взлома. Первой преградой на пути злоумышленников должна стать защита от вскрытия, которую традиционно строят на базе механических выключателей. Компания Texas Instruments предлагает альтернативное решение с использованием индуктивных датчиков LDC0851. Именно эти сенсоры используются в референсной схеме TIDA-01377 от Texas Instruments.

Кража электроэнергии – одна из самых болезненных проблем для поставщиков электричества. По оценкам специалистов, в России уровень хищений составляет миллиарды рублей. Именно по этой причине за подобные правонарушения предполагается наказание вплоть до уголовного. При особо крупном размере кражи ограничение свободы может достигать 5 лет.

В западных странах ситуация немногим лучше, например, в Греции в 2016 году зарегистрировано 10600 случаев краж электроэнергии. В более благополучных странах Европы уровень хищений ниже (примерно на 40%), но, тем не менее, является достаточно высоким [1].

По статистике в России большая часть украденной энергии приходится на частных потребителей – до 51% [2]. При этом основными способами кражи являются:

  • применение отмоточных и замедляющих вращение счетного механизма устройств – 15%;
  • нарушение пломбировки – 30%;
  • нарушение схемы учета – 6%;
  • установка шунта – 3%;
  • механическое торможение диска – 7%;
  • заземление нулевого провода – 4%;
  • безучетное подключение – 30%;
  • наклон счетчика – 3%;
  • другие виды хищения – 2% [2].

Значительная часть хищений так или иначе связана со вскрытием корпуса счетчика. Если обеспечить гарантированное выявление таких нарушений, то это позволит взыскать со злоумышленников компенсацию и минимизировать убытки.

Существует несколько способов обнаружения вскрытия корпуса, но чаще всего для этих целей используются механические выключатели кнопочного типа. Когда крышка корпуса закрыта — кнопка нажата. При открытии крышки кнопка отключается, что и обнаруживается системой. К сожалению, механическая система защиты имеет ограничения. Во-первых, при долгом нахождении в нажатом состоянии кнопки могут «прикипать», то есть переставать срабатывать. Во-вторых, кнопку все-таки можно обмануть. Компания Texas Instruments предлагает альтернативное решение на базе индуктивных датчиков LDC0851, свободное от указанных недостатков.

В предлагаемом референсном решении TIDA-01377 производства компании Texas Instruments вскрытие определяется по удалению металлических объектов (мишеней), встроенных в крышку корпуса, от индуктивного датчика. При этом система защиты включает следующие основные элементы (рисунок 7):

  • микросхему индуктивного датчика LDC0851;
  • опорную индуктивность LREF, реализованную в виде печатной индуктивности на плате;
  • одну или две измерительных индуктивности LSENSE, также выполненных в виде печатных индуктивностей на плате;
  • один или пару металлических объектов (мишеней), расположенных на крышке.

Датчик LDC0851 работает по дифференциальной схеме и сравнивает величину опорной индуктивности LREF и эффективную индуктивность измерительной катушки LSENSE, которая зависит от расстояния до металлического объекта. Это позволяет схеме обнаруживать вскрытие корпуса независимо от таких внешних условий как влажность, температура, старение, загрязнение и другие. Схема с индуктивными датчиками также невосприимчива к воздействию магнитных полей.

Микросхема LDC0851 позволяет реализовывать сразу два датчика приближения. Для этого используются две измерительные индуктивности LSENSE. В референсном решении TIDA-01377 одна из них используется для обнаружения вскрытия основной крышки корпуса, а вторая – для обнаружения вскрытия блока клемм.

Еще одной особенностью референсной схемы TIDA-01377 является использование микроконтроллера MSP430F67791A со встроенным таймером реального времени (RTC). Контроллер управляет датчиком LDC0851, включая и выключая его для снижения потребления. При этом удается уменьшить средний питающий ток датчика до 2 мкА при частоте опроса 1 Гц. Кроме того, микроконтроллер обеспечивает микросхему LDC0851 питанием.

Стоит отметить, что предлагаемое решение без проблем можно использовать не только в счетчиках электроэнергии, но и в приборах учета газа, воды, тепла.

Принцип работы индуктивного датчика LDC0851

Микросхема LDC0851 поочередно генерирует переменный сигнал на опорной катушке LREF и на чувствительной катушке LSENSE. При протекании переменного тока в индуктивности формируется переменное магнитное поле (рисунок 1). Если вблизи катушки находится металлический объект (мишень), то под воздействием этого магнитного поля на его поверхности возникают вихревые токи.

Рис. 1. Принцип работы индуктивного датчика

Рис. 1. Принцип работы индуктивного датчика

Величина вихревых токов зависит от расстояния между катушкой и мишенью, геометрических размеров печатной катушки и материала мишени. Вихревые токи также формируют собственное магнитное поле, вектор которого противоположен вектору исходного магнитного поля. В результате суммарное поле ослабляется, что равноценно уменьшению эффективной индуктивности LSENSE.

Используемую измерительную схему можно привести к эквивалентному последовательному R-L-C-контуру (рисунок 2). В данном случае составляющая R выражает суммарное паразитное сопротивление. Величина эффективной индуктивности L(d) в эквивалентной схеме зависит от расстояния между измерительной катушкой и металлическим объектом. Чем ближе металлический объект, тем меньше индуктивность.

Рис. 2. Эквивалентная схема измерительного контура

Рис. 2. Эквивалентная схема измерительного контура

Для определения величины индуктивности используется преобразование «индуктивность-частота». Резонансная частота контура определяется по формуле 1:

$$f=\frac{\sqrt{2}}{2\pi\sqrt{L\times C}}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Из формулы 1 видно, что чем ближе мишень и чем меньше индуктивность, тем выше резонансная частота (рисунок 3). Также рисунок показывает, что величина частоты зависит от диаметра печатной индуктивности.

Рис. 3. Зависимость частоты от расстояния до объекта

Рис. 3. Зависимость частоты от расстояния до объекта

Здесь стоит отметить, что предлагаемая схема нечувствительна к внешним магнитным полям. Это обеспечивается высокой добротностью. Даже если предположить, что злоумышленник сможет очень точно подобрать частоту возбуждения и сформирует сильное магнитное поле, то это все равно приведет к постоянному переключению микросхемы LDC0851, что будет распознано как вскрытие корпуса.

Рассмотрим основные особенности и внутреннюю структуру микросхемы LDC0851.

Индуктивный датчик LDC0851 от Texas Instruments

LDC0851 – микросхема индуктивного датчика с дискретным выходом. Структура LDC0851 включает пять ключевых блоков: пара преобразователей индуктивностей, схема подстройки смещения, система питания, выходной каскад (рисунок 4).

Рис. 4. Структурная схема индуктивного датчика с дискретным выходом LDC0851

Рис. 4. Структурная схема индуктивного датчика с дискретным выходом LDC0851

Преобразователи индуктивности выполняют последовательную конвертацию «индуктивность-частота-напряжение». Канал LREF необходим для подключения опорной индуктивности. Канал LSENSE используется для подключения измерительной индуктивности. Сигналы, получаемые от каналов LREF и LSENSE, оцифровываются и сравниваются, формируя выходной сигнал типа push-pull (выход OUT). Для предотвращения дребезга LDC0851 имеет гистерезис.

Чтобы изменить порог срабатывания (сместить точку переключения), используется схема смещения, встроенная в LDC0851. Она включает 4-битный АЦП, выходной сигнал которого вычитается из результата измерения LREF. Таким образом возможны 16 вариантов смещения. Они задаются с помощью внешнего напряжения на входе ADJ. В простейшем случае для этого будет достаточно дополнительного резистивного делителя.

Одним из достоинств LDC0851 является малое потребление и возможность гибкого управления питанием. Микросхема способна работать в двух режимах – в режиме сна (Shutdown Mode) и в активном режиме (Active Mode).

Режим сна активируется при подаче малого напряжения на вход EN. В этом состоянии потребление микросхемы минимально и составляет всего 0,14 мкА (таблица 1).

Таблица 1. Характеристики индуктивного датчика с дискретным выходом LDC0851

Параметр LDC0851
Максимальная частота опроса, выб./с 4000
Диапазон питающих напряжений, В 1,71…3,46
Статический ток, мА 0,7
Динамический ток (fsensor =15 Мгц, Cparasitic = 22 пФ), мА 0,66
Ток датчика, мА 4,35…6
Потребление в спящем режиме (тип.), мкА 0,14
Диапазон индуктивностей, мкГн 1,8…2,5
Диапазон рабочих температур, °C -40…125
Корпус/габариты, мм WSON-8, 2х2

В активном состоянии ток потребления LDC0851 складывается из трех составляющих (таблица 1):

  • статического тока Istatic (Static current) – постоянной составляющей потребления, не зависящей от частоты резонанса контура. Типовое значение Istatic составляет 0,7 мА;
  • динамического тока Idyn (Dynamic current), который зависит от частоты LC-контура и паразитной емкости платы. При частоте 15 МГц и емкости 22 пФ значение тока составляет 0,66 мА;
  • тока датчика Isensor (Sensor current) – тока питания LC-контура. Он зависит от частоты контура и индуктивности катушки. Значение Isensor находится в диапазоне 4,35…6 мА.

Таким образом, при работе с LDC0851 есть два основных пути снижения потребления:

  • за счет использования как можно более малого напряжения питания;
  • за счет импульсной работы датчика, при которой большую часть времени LDC0851 находится в режиме сна с минимальным питающим током, и периодически пробуждается для быстрого выполнения измерений.

Чем реже производятся активизация сенсора, тем меньше потребление.

Даже в активном режиме ток потребления LDC0851 достаточно мал, и его можно обеспечить с помощью порта ввода-вывода управляющего микроконтроллера. Эта особенность используется в том числе и в референсной схеме TIDA-01377.

Важно отметить, что датчик LDC0851 является достаточно универсальным. Вот лишь некоторые его альтернативные целевые приложения:

  • датчики вскрытия в приборах учета (электричества, воды, тепла, газа);
  • датчики потока в приборах учета (например, воды);
  • датчики вскрытия в системах безопасности (сигнализации);
  • датчики скорости в офисной и бытовой технике (принтеры, сканеры и прочее), в промышленных станках и роботах;
  • датчики вращения в промышленной и бытовой технике;
  • индуктивные кнопки в промышленной и бытовой технике;
  • концевые датчики в промышленной и бытовой технике;
  • и так далее.

Стоит подчеркнуть, что в данной статье рассматривается только конкретное референсное решение. Для более полного ознакомления с характеристиками и особенностями отдельных компонентов следует обратиться к другим статьям журнала Новости электроники (например, [4, 5]).

Рассмотрим конкретный пример использования LDC0851 в референсной схеме датчика вскрытия TIDA-01377 производства Texas Instruments.

Описание системы защиты от вскрытия

В предлагаемом решении TIDA-01377 микросхема LDC0851 поочередно измеряет и сравнивает значения индуктивности катушки LSENSE, подключенной между выводами LSENSE и LCOM, и опорной катушки LREF, подключенной между выводами LREF и LCOM. Такой подход позволяет устранить влияние параметров окружающей среды (температуры, влажности, загрязнений) и избежать ложных переключений. Катушки выполнены в виде печатных индуктивностей.

Рассмотренный выше принцип работы может быть реализован в двух вариантах: с одним датчиком (одна катушка LSENSE, рисунок 5) или с парой датчиков (две последовательно включенные катушки, рисунок 6).

Рис. 5. Схема обнаружения взлома с одним датчиком (с одной катушкой)

Рис. 5. Схема обнаружения взлома с одним датчиком (с одной катушкой)

Рис. 6. Блок-схема реализации системы защиты с двумя датчиками

Рис. 6. Блок-схема реализации системы защиты с двумя датчиками

В первом варианте с одним датчиком система защиты обнаруживает только вскрытие крышки клеммного блока. Металлический объект размещается на крышке счетчика прямо над печатной катушкой LSENSE. При этом в закрытом состоянии эффективная индуктивность LSENSE оказывается значительно меньше опорной индуктивности LREF и на выходе OUT присутствует малое напряжение. Когда крышка клеммной колодки открыта — расстояние между металлическим объектом и сенсорной катушкой увеличивается, что приводит к росту эффективной индуктивности. Как только индуктивность превышает значение опорной индуктивности, происходит переключение. Управляющий контроллер MSP430F67791A фиксирует это событие и делает соответствующую запись с указанием времени во внутреннюю память.

Второй вариант представляет собой реализацию с двумя датчиками. При этом система защиты обнаруживает вскрытие как крышки клеммного блока, так и основной крышки счетчика. На рисунке 6 показана блок-схема для такого варианта.

В варианте с двумя датчиками используется пара печатных индуктивностей, включенных последовательно между выводами LSENSE и LCOM. Сами катушки разнесены по разным углам печатной платы (рисунок 7). Для каждой из них на крышках корпуса предусмотрены индивидуальные металлические мишени (рисунок 8). Для получения требуемого расстояния между датчиками и мишенями использовались обычные металлические стойки.

Рис. 7. Внешний вид печатной платы счетчика с парой датчиков (катушек)

Рис. 7. Внешний вид печатной платы счетчика с парой датчиков (катушек)

Принцип работы такой системы идентичен варианту с одной катушкой. Когда обе крышки – крышка клеммного блока и основная крышка счетчика — закрыты, суммарная индуктивность оказывается значительно меньше опорной индуктивности LREF и на выходе OUT присутствует малое напряжение. Если же одна из крышек открывается, то суммарная индуктивность возрастает и превосходит опорное значение, а на выходе OUT формируется высокий сигнал.

Рис. 8. Размещение металлических мишеней на корпусе счетчика

Рис. 8. Размещение металлических мишеней на корпусе счетчика

Стоит сказать пару слов о работе управляющего микроконтроллера MSP430F67791A .Когда на выходе OUT возникает высокий сигнал, контроллер регистрирует дату и время вскрытия, включает светодиоды и формирует символы на жидкокристаллическом дисплее (ЖК). Кроме того, MSP430F67791A обеспечивает питание как для себя, так и для датчика LDC0851 с использованием встроенного мультиплексируемого блока питания AUX. При отключении электричества система переходит на питание от аккумулятора. Микроконтроллер также управляет датчиком с помощью входа EN и встроенным таймером. Это позволяет снизить среднее потребление сенсора до 2 мкА за счет использования спящего режима.

Тестирование референсной схемы

Тестирование референсной схемы проводилось в три этапа:

  • проверка функциональности;
  • проверка устойчивости к внешнем магнитным полям;
  • определение уровня потребления.

Оба варианта системы защиты – с одним и двумя датчиками – продемонстрировали свою работоспособность. Для схемы с одной катушкой вскрытие корпуса обнаруживалось уже при смещении крышки на 1…2 мм от закрытого состояния. Для схемы с двумя катушками вскрытие обнаруживалось при смещении крышки на 4 мм.

Для проверки устойчивости к внешним полям использовался постоянный цилиндрический магнит 1,3 Тл диаметром 63,5 мм и толщиной 25,4 мм. Как и ожидалось, испытания прошли успешно и магнит не повлиял на работоспособность схемы.

Тестирование показало, что средний уровень потребления схемы с одним датчиком составил 1,83 мкА при частоте опроса 1 Гц. Для схемы с двумя катушками потребление оказалось несколько выше, но все равно оставалось предельно малым – около 2,01 мкА.

Заключение

Проблема воровства электричества остро стоит как перед отечественными, так и перед зарубежными поставщиками электроэнергии. По этой причине современные счетчики должны иметь высокую степень защиты от взлома. При этом первым рубежом обороны становится система обнаружения вскрытия корпуса.

Вместо традиционных механических датчиков вскрытия компания Texas Instruments предлагает использовать более надежную и современную альтернативу в виде индуктивных сенсоров на базе микросхем LDC0851.

Референсная схема TIDA-01377 от Texas Instruments представляет собой готовое решение на базе LDC0851:

  • с одним и двумя датчиками вскрытия;
  • с отличной стойкостью к внешним магнитным полям;
  • с минимальным потреблением на уровне 2 мкА.

Литература

  1. Греки не платят и воруют электричество из-за нищеты, Вести Экономика
  2. Пешкова И.Ю. Хищение будет наказано. Электротехнический рынок, №12, 2017
  3. TIDA-01377. CaseTamperDetectionReferenceDesignUsing Inductive Sensing. Texas Instruments, 2017
  4. Пазюк Алексей. Преобразователи для индуктивных датчиков LDCxxx: измеряем линейное перемещение и вращение. НЭ, №7, 2016
  5. Гавриков Вячеслав. Микроконтроллеры с FRAM от Texas Instruments – новая эпоха для приборов учета. НЭ, №8, 2015
  6. http://www.ti.com

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, ...читать далее