基于AMR技術(shù)的智能水表方案

　　目前國(guó)內(nèi)水表的種類很多，按照測(cè)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(jī)械式，帶電子裝置的混合式和全固態(tài)電子式水表。因?yàn)槌杀镜脑?，純機(jī)械式和混合式占據(jù)了國(guó)內(nèi)水表市場(chǎng)的絕大多數(shù)。但隨著計(jì)量技術(shù)的發(fā)展，也日益暴露出很多問(wèn)題：

　　始動(dòng)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(guó)從水資源管理的實(shí)際需求出發(fā)，并考慮與國(guó)外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)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(cè)量 飲用冷水水表和熱水水表》的GB/T 778－2007國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)水表流量值和量程比重新做了規(guī)定。傳統(tǒng)的機(jī)械式水表往往因?yàn)橄到y(tǒng)材料、機(jī)械加工等原因，大多量程比不高，要實(shí)現(xiàn)新標(biāo)準(zhǔn)要求的更高量程比的水表，往往需要非常長(zhǎng)的設(shè)計(jì)、測(cè)試和標(biāo)定周期，往往造成更多的資金、人員和時(shí)間的投入。而新的計(jì)量技術(shù)例如超聲波和電磁感應(yīng)等往往因?yàn)槠骷?、生產(chǎn)成本等因素只能適用于特殊的場(chǎng)合，無(wú)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(jì)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出更高計(jì)量參數(shù)的水表也現(xiàn)實(shí)地?cái)[在水表行業(yè)面前。EPSON結(jié)合自身電子元器件特點(diǎn)和感檢測(cè)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(wèn)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(jì)數(shù)齒輪和磁簧開(kāi)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(lái)檢測(cè)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，大大提高了流量檢測(cè)的靈敏度；在軟件補(bǔ)償算法的配合下，計(jì)量特性有了實(shí)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(jì)理念，也體現(xiàn)在這款電子水表方案中。無(wú)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(jì)生產(chǎn)技術(shù)，特別針對(duì)電池供電系統(tǒng)。

　　方案框圖如圖所示：

　　水量檢測(cè)通過(guò)安裝在葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)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(chǎng)，放置在磁鐵上方的各向異性磁阻傳感器（AMR sensor）將磁場(chǎng)變化信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，交由專用處理器進(jìn)行計(jì)量、錯(cuò)誤檢測(cè)等處理、并將結(jié)果通過(guò)液晶或脈沖輸出。

　　除了一般流量統(tǒng)計(jì)外，專用處理器還支持多種檢測(cè)模式，例如瞬時(shí)流速、滴漏檢測(cè)，水流倒轉(zhuǎn)等附加功能，為流量的實(shí)時(shí)檢測(cè)、實(shí)時(shí)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(jì)反轉(zhuǎn)流量； 檢測(cè)周期的設(shè)置，讓開(kāi)發(fā)者有更靈活的檢測(cè)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(chǎng)的強(qiáng)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(dāng)外界磁場(chǎng)方向垂直于電流方向時(shí)（90°。270°），電阻變化最大，外界磁場(chǎng)方向平行于電流方向時(shí)，電阻變化最??；根據(jù)這個(gè)特性，將磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮枳兓?，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電壓的變化，最終由微處理器來(lái)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(shì)：

流量測(cè)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(hào)，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(lái)的誤差，

　　決定水表計(jì)量精度主要有兩個(gè)主要因素：

　?。保畟鞲衅鳒?zhǔn)確感應(yīng)基表葉輪轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)

　?。玻恳蝗α鬟^(guò)的水量

　　由于采用磁阻檢測(cè)計(jì)量，減少了傳統(tǒng)電子水表必需的多個(gè)計(jì)數(shù)齒輪，簡(jiǎn)化了機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的設(shè)計(jì)，減小了葉輪的負(fù)載，對(duì)小流速水流提高了檢測(cè)靈敏度，提升了水表始動(dòng)流量檢測(cè)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(cè)到葉輪1/8周的轉(zhuǎn)動(dòng)，并依據(jù)特定相位差的時(shí)間序列可以用于水流方向的檢測(cè)和計(jì)量，對(duì)于葉輪抖動(dòng)或其它因素造成的異常時(shí)間序列可以予以篩除，提高了圈數(shù)統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確性，特別是小水流情況下的測(cè)量精準(zhǔn)度。

　　一般來(lái)說(shuō)，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(cè)量水表當(dāng)前的流速，可以通過(guò)對(duì)不同流速的誤差進(jìn)行軟件修正和補(bǔ)償，由于涉水部分機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件簡(jiǎn)單，測(cè)量的重復(fù)性好，配合計(jì)量標(biāo)定過(guò)程，在機(jī)械結(jié)構(gòu)基本不變的前提下，大大提高了水表水量檢測(cè)的準(zhǔn)確度等級(jí)。

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

　　系統(tǒng)簡(jiǎn)單，高度集成，外圍器件少，可靠性提高

　　除了傳統(tǒng)的機(jī)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(cè)設(shè)計(jì)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(jì)數(shù)器等功能電路，可以直接連接AMR傳感器毫伏級(jí)輸出，減少了以往多個(gè)外圍分離器件；豐富的周邊電路包括128段液晶驅(qū)動(dòng)器，定時(shí)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、低電壓檢測(cè)，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(chǔ)，通信模塊等器件。

　　因?yàn)椴捎梅墙佑|的磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)，避免了傳統(tǒng)機(jī)械/磁簧開(kāi)關(guān)使用壽命和抗震動(dòng)和碰撞的問(wèn)題；將兩個(gè)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(wèn)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(jì)的可靠性和穩(wěn)定性，同時(shí)也降低了開(kāi)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(jì)，水表往往因?yàn)榄h(huán)境的限制，無(wú)法采用有源供電的方式。如何降低整機(jī)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(jì)者。憑借著多年在低功耗產(chǎn)品設(shè)計(jì)積累的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，EPSOＮ從一開(kāi)始就關(guān)注方案整體的功耗，特別設(shè)計(jì)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(wú)水流時(shí)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(jì)者可以采用更小更低成本的電池。
完整的設(shè)計(jì)支持

　　處理提供元器件方案外，EPSON還提供完整的流量檢測(cè)軟硬件參考設(shè)計(jì)。包括累計(jì)流量，瞬間流量，過(guò)大流量檢測(cè)，逆流檢測(cè)，滴漏檢測(cè)，未使用檢測(cè)，電壓檢測(cè)，脈沖輸出等基本功能，用戶簡(jiǎn)單設(shè)置幾個(gè)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(jì)量功能。

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