基于AMR技术的智能水表方案 - 测试测量设计实例（一）

二、基于AMR技术的智能水表方案

　　随着人类社会不断的发展，作为不可替代的自然资源--水资源也开始面临着种种问题和危机。人口的增长、工农业的快速发展，使得人类对水的需求逐年增加。无序的开发和环境的污染更加重了水资源的危机。曾经的蓝色星球也变得越来越饥渴。各国政府和组织都相继制定政策和法规力图建立节水型社会体系。一系列的节水措施给水表制造产业的发展带来机遇，同时也提出了挑战。

　　目前国内水表的种类很多，按照测量原理可以分为速度式水表和容积式水表，按照结构和技术可分为纯机械式，带电子装置的混合式和全固态电子式水表。因为成本的原因，纯机械式和混合式占据了国内水表市场的绝大多数。但随着计量技术的发展，也日益暴露出很多问题：

　　始动流量大，也就是灵敏度差

　　漏损率高

　　稳定性差

　　性能低，量程比小，特别是小流量精度差

　　功耗高，使用寿命短等

　　2008年，我国从水资源管理的实际需求出发，并考虑与国外先进标准接轨，全面提升水表产业技术水平，发布了等同采用ISO4064－2005 《封闭满管道中水流量的测量 饮用冷水水表和热水水表》的GB/T 778－2007国家标准，对水表流量值和量程比重新做了规定。传统的机械式水表往往因为系统材料、机械加工等原因，大多量程比不高，要实现新标准要求的更高量程比的水表，往往需要非常长的设计、测试和标定周期，往往造成更多的资金、人员和时间的投入。而新的计量技术例如超声波和电磁感应等往往因为器件、生产成本等因素只能适用于特殊的场合，无法大规模的应用于普通电子水表中。

　　如何在保持现有基表设计的基础上设计出更高计量参数的水表也现实地摆在水表行业面前。EPSON结合自身电子元器件特点和感检测技术，最新推出了完整的超低功耗电子水表解决方案，很好的解决了以上种种问题。该方案仍然采用普通的速度式水表基表部分，取消了传统计数齿轮和磁簧开关等易损部件，采用了非接触式各向异性磁阻传感器（AMR）来检测叶轮转动，大大提高了流量检测的灵敏度；在软件补偿算法的配合下，计量特性有了实质性的提高；使得高量程比、高精度的电子水表成为可能。

　　Energy Saving作为EPSON电子元器件的最重要的设计理念，也体现在这款电子水表方案中。无论是专用处理器和各向异性磁阻传感器（AMR）都采用低功耗设计生产技术，特别针对电池供电系统。

　　方案框图如图所示：

　　水量检测通过安装在叶轮转动轴上的磁铁随着水流旋转，在周边产生方向周期性变化的磁场，放置在磁铁上方的各向异性磁阻传感器（AMR sensor）将磁场变化信号转变成电信号，交由专用处理器进行计量、错误检测等处理、并将结果通过液晶或脉冲输出。

　　除了一般流量统计外，专用处理器还支持多种检测模式，例如瞬时流速、滴漏检测，水流倒转等附加功能，为流量的实时检测、实时控制提供了便利。水流方向的设置，即使水表倒装，也可以正常统计反转流量； 检测周期的设置，让开发者有更灵活的检测精度和功耗管理的选择。

　　AMR传感器一般由硅或玻璃基板上覆以铁磁体合金材料的薄膜构成。薄膜电阻值随着外加磁场的强度和方向而变化，因此被称为各向异性磁阻传感器（Anisotropic Magnet Resistance），当外界磁场方向垂直于电流方向时（90°。270°），电阻变化最大，外界磁场方向平行于电流方向时，电阻变化最小；根据这个特性，将磁场方向转变为电阻变化，进而转化为电压的变化，最终由微处理器来分析处理。

　　相比于目前传统的电子水表，EPSON的电子水表方案具有如下明显的优势：

　　流量测量性能/功能提高

　　方案中采用的一颗AMR传感器芯片采用小型的SOP8封装，内部集成了两组全桥 磁阻网络，互呈45度角放置， AB两相输出为相位差90度的正弦/余弦信号，每一相都采用差分输出方式（+Sine， -Sine， +Cosine， - Cosine），这有助于消除同相噪声带来的误差，

　　决定水表计量精度主要有两个主要因素：

　　１．传感器准确感应基表叶轮转过的圈数

　　２．每一圈流过的水量

　　由于采用磁阻检测计量，减少了传统电子水表必需的多个计数齿轮，简化了机械运动部件的设计，减小了叶轮的负载，对小流速水流提高了检测灵敏度，提升了水表始动流量检测的性能；A，B输出连续的波形，根据相位差最小可以检测到叶轮1/8周的转动，并依据特定相位差的时间序列可以用于水流方向的检测和计量，对于叶轮抖动或其它因素造成的异常时间序列可以予以筛除，提高了圈数统计的准确性，特别是小水流情况下的测量精准度。

　　一般来说，水表在不同流速下的误差是不同的（高流速误差小、低流速误差大），该方案由于可以测量水表当前的流速，可以通过对不同流速的误差进行软件修正和补偿，由于涉水部分机械运动部件简单，测量的重复性好，配合计量标定过程，在机械结构基本不变的前提下，大大提高了水表水量检测的准确度等级。

　　另外方案还可以支持多种滴漏，水流反向等检测功能，为远程控制提供了必要的技术手段。

　　系统简单，高度集成，外围器件少，可靠性提高

　　除了传统的机械部分外，系统主要的元器件为专用处理芯片S1C17M01和AMR传感器芯片。专为流量检测设计的S1C17M01 内部集成AMR控制器，包括模拟前端（AFE），带磁滞功能的比较器，相位/圈数计数器等功能电路，可以直接连接AMR传感器毫伏级输出，减少了以往多个外围分离器件；丰富的周边电路包括128段液晶驱动器，定时器、实时时钟、低电压检测，R/F转换器，多种串行接口等，可以方便的连接段码液晶，温度传感器，外部存储，通信模块等器件。

　　因为采用非接触的磁场检测技术，避免了传统机械/磁簧开关使用寿命和抗震动和碰撞的问题；将两个全桥磁阻电路集成于一体，避免的分离模式下器件组装的一致性问题；采用普通的铁氧体材料的磁铁，使用寿命得到了保证等等，所有这些都大大提高了系统设计的可靠性和稳定性，同时也降低了开发和制造成本。

　　极低的系统功耗和电源管理更适合电池供电系统

　　不同与电表的设计，水表往往因为环境的限制，无法采用有源供电的方式。如何降低整机功耗，使用尽可能小的电池保证6－8年的使用寿命也一直困扰着水表的设计者。凭借着多年在低功耗产品设计积累的技术和经验，EPSOＮ从一开始就关注方案整体的功耗，特别设计的专用处理器和选择的低功耗传感器，使系统整体工作电流在40rps转速的情况下仅为6.5uA， 无水流时系统工作电流更低至2uA（包括传感器功耗在内），

　　在保证水表使用寿命的前提下，设计者可以采用更小更低成本的电池。

　　完整的设计支持

　　处理提供元器件方案外，EPSON还提供完整的流量检测软硬件参考设计。包括累计流量，瞬间流量，过大流量检测，逆流检测，滴漏检测，未使用检测，电压检测，脉冲输出等基本功能，用户简单设置几个参数就可以完成，并可以以此为基础定制出更多更复杂的计量功能。

　　该方案还可以应用于其他流量检测的场合，例如气表、热量表中。如果对该方案感兴趣，需要更详细的产品和方案信息，请联系EPSON各地分公司电子元器件部门。