基于AMR技術(shù)的智能水表方案 - 測試測量設(shè)計實例（一）

二、基于AMR技術(shù)的智能水表方案

　　隨著人類社會不斷的發(fā)展，作為不可替代的自然資源--水資源也開始面臨著種種問題和危機。人口的增長、工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，使得人類對水的需求逐年增加。無序的開發(fā)和環(huán)境的污染更加重了水資源的危機。曾經(jīng)的藍色星球也變得越來越饑渴。各國政府和組織都相繼制定政策和法規(guī)力圖建立節(jié)水型社會體系。一系列的節(jié)水措施給水表制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來機遇，同時也提出了挑戰(zhàn)。

　　目前國內(nèi)水表的種類很多，按照測量原理可以分為速度式水表和容積式水表，按照結(jié)構(gòu)和技術(shù)可分為純機械式，帶電子裝置的混合式和全固態(tài)電子式水表。因為成本的原因，純機械式和混合式占據(jù)了國內(nèi)水表市場的絕大多數(shù)。但隨著計量技術(shù)的發(fā)展，也日益暴露出很多問題：

　　始動流量大，也就是靈敏度差

　　漏損率高

　　穩(wěn)定性差

　　性能低，量程比小，特別是小流量精度差

　　功耗高，使用壽命短等

　　2008年，我國從水資源管理的實際需求出發(fā)，并考慮與國外先進標準接軌，全面提升水表產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平，發(fā)布了等同采用ISO4064－2005 《封閉滿管道中水流量的測量 飲用冷水水表和熱水水表》的GB/T 778－2007國家標準，對水表流量值和量程比重新做了規(guī)定。傳統(tǒng)的機械式水表往往因為系統(tǒng)材料、機械加工等原因，大多量程比不高，要實現(xiàn)新標準要求的更高量程比的水表，往往需要非常長的設(shè)計、測試和標定周期，往往造成更多的資金、人員和時間的投入。而新的計量技術(shù)例如超聲波和電磁感應(yīng)等往往因為器件、生產(chǎn)成本等因素只能適用于特殊的場合，無法大規(guī)模的應(yīng)用于普通電子水表中。

　　如何在保持現(xiàn)有基表設(shè)計的基礎(chǔ)上設(shè)計出更高計量參數(shù)的水表也現(xiàn)實地擺在水表行業(yè)面前。EPSON結(jié)合自身電子元器件特點和感檢測技術(shù)，最新推出了完整的超低功耗電子水表解決方案，很好的解決了以上種種問題。該方案仍然采用普通的速度式水表基表部分，取消了傳統(tǒng)計數(shù)齒輪和磁簧開關(guān)等易損部件，采用了非接觸式各向異性磁阻傳感器（AMR）來檢測葉輪轉(zhuǎn)動，大大提高了流量檢測的靈敏度；在軟件補償算法的配合下，計量特性有了實質(zhì)性的提高；使得高量程比、高精度的電子水表成為可能。

　　Energy Saving作為EPSON電子元器件的最重要的設(shè)計理念，也體現(xiàn)在這款電子水表方案中。無論是專用處理器和各向異性磁阻傳感器（AMR）都采用低功耗設(shè)計生產(chǎn)技術(shù)，特別針對電池供電系統(tǒng)。

　　方案框圖如圖所示：

　　水量檢測通過安裝在葉輪轉(zhuǎn)動軸上的磁鐵隨著水流旋轉(zhuǎn)，在周邊產(chǎn)生方向周期性變化的磁場，放置在磁鐵上方的各向異性磁阻傳感器（AMR sensor）將磁場變化信號轉(zhuǎn)變成電信號，交由專用處理器進行計量、錯誤檢測等處理、并將結(jié)果通過液晶或脈沖輸出。

　　除了一般流量統(tǒng)計外，專用處理器還支持多種檢測模式，例如瞬時流速、滴漏檢測，水流倒轉(zhuǎn)等附加功能，為流量的實時檢測、實時控制提供了便利。水流方向的設(shè)置，即使水表倒裝，也可以正常統(tǒng)計反轉(zhuǎn)流量； 檢測周期的設(shè)置，讓開發(fā)者有更靈活的檢測精度和功耗管理的選擇。

　　AMR傳感器一般由硅或玻璃基板上覆以鐵磁體合金材料的薄膜構(gòu)成。薄膜電阻值隨著外加磁場的強度和方向而變化，因此被稱為各向異性磁阻傳感器（Anisotropic Magnet Resistance），當外界磁場方向垂直于電流方向時（90°。270°），電阻變化最大，外界磁場方向平行于電流方向時，電阻變化最?。桓鶕?jù)這個特性，將磁場方向轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮枳兓?，進而轉(zhuǎn)化為電壓的變化，最終由微處理器來分析處理。

　　相比于目前傳統(tǒng)的電子水表，EPSON的電子水表方案具有如下明顯的優(yōu)勢：

　　流量測量性能/功能提高

　　方案中采用的一顆AMR傳感器芯片采用小型的SOP8封裝，內(nèi)部集成了兩組全橋 磁阻網(wǎng)絡(luò)，互呈45度角放置， AB兩相輸出為相位差90度的正弦/余弦信號，每一相都采用差分輸出方式（+Sine， -Sine， +Cosine， - Cosine），這有助于消除同相噪聲帶來的誤差，

　　決定水表計量精度主要有兩個主要因素：

　　１．傳感器準確感應(yīng)基表葉輪轉(zhuǎn)過的圈數(shù)

　?。玻恳蝗α鬟^的水量

　　由于采用磁阻檢測計量，減少了傳統(tǒng)電子水表必需的多個計數(shù)齒輪，簡化了機械運動部件的設(shè)計，減小了葉輪的負載，對小流速水流提高了檢測靈敏度，提升了水表始動流量檢測的性能；A，B輸出連續(xù)的波形，根據(jù)相位差最小可以檢測到葉輪1/8周的轉(zhuǎn)動，并依據(jù)特定相位差的時間序列可以用于水流方向的檢測和計量，對于葉輪抖動或其它因素造成的異常時間序列可以予以篩除，提高了圈數(shù)統(tǒng)計的準確性，特別是小水流情況下的測量精準度。

　　一般來說，水表在不同流速下的誤差是不同的（高流速誤差小、低流速誤差大），該方案由于可以測量水表當前的流速，可以通過對不同流速的誤差進行軟件修正和補償，由于涉水部分機械運動部件簡單，測量的重復(fù)性好，配合計量標定過程，在機械結(jié)構(gòu)基本不變的前提下，大大提高了水表水量檢測的準確度等級。

　　另外方案還可以支持多種滴漏，水流反向等檢測功能，為遠程控制提供了必要的技術(shù)手段。

　　系統(tǒng)簡單，高度集成，外圍器件少，可靠性提高

　　除了傳統(tǒng)的機械部分外，系統(tǒng)主要的元器件為專用處理芯片S1C17M01和AMR傳感器芯片。專為流量檢測設(shè)計的S1C17M01 內(nèi)部集成AMR控制器，包括模擬前端（AFE），帶磁滯功能的比較器，相位/圈數(shù)計數(shù)器等功能電路，可以直接連接AMR傳感器毫伏級輸出，減少了以往多個外圍分離器件；豐富的周邊電路包括128段液晶驅(qū)動器，定時器、實時時鐘、低電壓檢測，R/F轉(zhuǎn)換器，多種串行接口等，可以方便的連接段碼液晶，溫度傳感器，外部存儲，通信模塊等器件。

　　因為采用非接觸的磁場檢測技術(shù)，避免了傳統(tǒng)機械/磁簧開關(guān)使用壽命和抗震動和碰撞的問題；將兩個全橋磁阻電路集成于一體，避免的分離模式下器件組裝的一致性問題；采用普通的鐵氧體材料的磁鐵，使用壽命得到了保證等等，所有這些都大大提高了系統(tǒng)設(shè)計的可靠性和穩(wěn)定性，同時也降低了開發(fā)和制造成本。

　　極低的系統(tǒng)功耗和電源管理更適合電池供電系統(tǒng)

　　不同與電表的設(shè)計，水表往往因為環(huán)境的限制，無法采用有源供電的方式。如何降低整機功耗，使用盡可能小的電池保證6－8年的使用壽命也一直困擾著水表的設(shè)計者。憑借著多年在低功耗產(chǎn)品設(shè)計積累的技術(shù)和經(jīng)驗，EPSOＮ從一開始就關(guān)注方案整體的功耗，特別設(shè)計的專用處理器和選擇的低功耗傳感器，使系統(tǒng)整體工作電流在40rps轉(zhuǎn)速的情況下僅為6.5uA， 無水流時系統(tǒng)工作電流更低至2uA（包括傳感器功耗在內(nèi)），

　　在保證水表使用壽命的前提下，設(shè)計者可以采用更小更低成本的電池。

　　完整的設(shè)計支持

　　處理提供元器件方案外，EPSON還提供完整的流量檢測軟硬件參考設(shè)計。包括累計流量，瞬間流量，過大流量檢測，逆流檢測，滴漏檢測，未使用檢測，電壓檢測，脈沖輸出等基本功能，用戶簡單設(shè)置幾個參數(shù)就可以完成，并可以以此為基礎(chǔ)定制出更多更復(fù)雜的計量功能。

　　該方案還可以應(yīng)用于其他流量檢測的場合，例如氣表、熱量表中。如果對該方案感興趣，需要更詳細的產(chǎn)品和方案信息，請聯(lián)系EPSON各地分公司電子元器件部門。