基于AMR技術(shù)的智能水表計(jì)劃

隨著人類社會(huì)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(jī)。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(jī)。曾經(jīng)的藍(lán)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(huì)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(jī)遇，同時(shí)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(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)了國內(nèi)水表市場的絕大多數(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，我國從水資源管理的實(shí)際需求出發(fā)，并考慮與國外先進(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量 飲用冷水水表和熱水水表》的GB/T 778-2007國家標(biāo)準(zhǔn)，對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，往往需要非常長的設(shè)計(jì)、測試和標(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(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(jì)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(dòng)，大大提高了流量檢測的靈敏度；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(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，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(jìn)行計(jì)量、錯(cuò)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(jì)外，專用處理器還支持多種檢測模式，例如瞬時(shí)流速、滴漏檢測，水流倒轉(zhuǎn)等附加功能，為流量的實(shí)時(shí)檢測、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(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)外界磁場方向垂直于電流方向時(shí)（90°。270°），電阻變化最大，外界磁場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(jì)量精度主要有兩個(gè)主要因素：

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

2.每一圈流過的水量

由于采用磁阻檢測計(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，對小流速水流提高了檢測靈敏度，提升了水表始動(dòng)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(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和計(jì)量，對于葉輪抖動(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量精準(zhǔn)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(dāng)前的流速，可以通過對不同流速的誤差進(jìn)行軟件修正和補(bǔ)償，由于涉水部分機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件簡單，測量的重復(fù)性好，配合計(jì)量標(biāo)定過程，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的準(zhǔn)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(yuǎn)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(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，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|的磁場檢測技術(shù)，避免了傳統(tǒng)機(jī)械/磁簧開關(guān)使用壽命和抗震動(dòng)和碰撞的問題；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軟硬件參考設(shè)計(jì)。包括累計(jì)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(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(xì)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。