垂直霍尔技术实现了有效的篡改检测
垂直霍尔技术实现了有效的篡改检测
Joseph Hollins和Ryan Metivier，
雷竞技竞猜下载Allegro微系统有限责任公司
各种机械和电子系统是磁性篡改的潜在目标。肆无忌惮的个人可能会攻击部署的电子产品，如智能电表，ATM，赌博/游戏机，票务机器或电子锁，以命名几个，希望改变或禁用它们或窃取产品或服务。本文侧重于智能电表，但讨论的原则也直接适用于其他系统。
全球各地都在部署智能电表，以提高能源使用报告和监测的效率和准确性。许多水表、煤气表和电表都包含智能电子元件，允许自动电子收集和传输使用信息。根据Navigant的研究1到2018年，全球智能电表年出货量将达到1.31亿只。窃电是电网运营商和政府监管机构面临的一个主要问题。智能电表正受到磁铁的攻击，试图诱使电表读数为零，或大幅减少能源使用2. 据估计，由于智能电表被篡改，每年有近900亿美元的能源被盗2.
图1：典型的智能电表
篡改电子电表的一种方法是使用强磁铁破坏电表检测功耗的能力三. 磁铁通常非常坚固，可能相对较大且较重。像这样的磁铁可以在网上购买，也可以从废弃的电子产品和电脑（电子垃圾）中回收。当这些磁铁靠近电表时，它们开始对电流互感器进行磁饱和，电流互感器用于检测通过电表的电流。磁芯的饱和基本上使电表“看不清”流过它的电流有多少。
虽然仪表制造商可能具有挑战性，以防止这种行为在使用点，但是可以检测篡改的尝试，以便可以采取补救动作，例如调度服务人员或远程禁用仪表。在全球范围内，有多个组织正在努力定义智能仪表规格，其中包括仪表要求检测尝试篡改。有关详细信息，请参阅“表2：智能电表行业标准”（下面）。
为了有效，用于检测篡改的磁性传感器必须具有以下特征：
- 高灵敏度：即使施加到系统外部的磁体可能是强烈的，磁体的磁场强度逐渐衰减，因为它进一步移动。传感器内部位置处的场强度可能远低于磁体表面处的场。仪表中使用的某些部件可以扭曲施加的磁场，如果感灵敏度不够高，则导致传感器的检测区域中的“阴影”或“孔”。
- 高动态范围：一些磁性传感技术在磁场上具有上限。霍尔效应技术在应用磁铁场没有上限。无人态灵敏度：篡改尝试的肇事者不太可能会关注磁铁的哪个杆应用于系统的情况，或者他们可能只是尝试所有人寻找有效的磁端。无论磁铁的方向如何，传感器应检测磁场。
- 全向灵敏度：许多遗留磁传感器仅对单个方向或平面中的场敏感。由于外部磁体可以以任何方向施加到仪表表面上的任何暴露点（正面，顶部，顶部，底部或侧面），因此传感器应在所有三个方向（x，y和z）中同样敏感。
一般来说，磁铁的磁场强度随着离磁铁越远而呈指数衰减。例如，表面磁性强度为6000 G（600 mT）的大型（50 mm×50 mm×50 mm）稀土磁体在50 mm外（厚度的一倍）测量时，其磁场约为600 G（60 mT）。图2说明了这种现象。一个较小的磁铁比一个较大的磁铁有更少的“范围”。根据经验法则，在相当于磁铁厚度的距离处，表面大约有十分之一的磁场存在。
图2：磁场与磁极距离（mm）50 mm×50 mm×50 mm N45磁铁
当传感器安装在电表内时，在确定传感器对电表外表面任何地方的磁铁的灵敏度时，必须考虑到与电表侧面和表面的距离。
最流行的传统解决方案的磁感应已霍尔效应传感器集成电路。这些集成电路利用霍尔效应（以埃德温·霍尔命名）来探测磁场，埃德温·霍尔在1879年发现，当磁场以垂直于导电板平面的方向穿过导电板时，会产生电压电势4.如图3所示，电流被施加到导电板上。垂直于板（电流流程）的磁场将导致在板上开发差分电压。传感器测量该电压作为所施加的场的指示。注意，传统的平面霍尔效应传感器只能测量垂直于传感板或表面的磁场。在表面安装IC的情况下，板通常平行于安装传感器的PCB的平面。无论传感器的方向/旋转如何，才能有效地感测Z尺寸中的场。
有效地感测X和Y场需要额外的传感器安装在单独的pcb上，彼此成直角，安装在主板上，或者安装有引线的传感器，并且可能形成引线，以便霍尔板的方向正确。这两种方法都会提高组件数量和成本、系统复杂性和装配成本。安装大量传统的平面霍尔传感器并依靠“边缘”场来激活它们是可能的，但是，这又一次推高了系统成本和复杂性。
各种磁阻技术已被用来创建磁传感器集成电路。这些传感器通常具有平面响应，即它们可以检测X-Y平面中的场，但对Z场的响应有限。此外，非常高的磁场实际上会导致传感器饱和和故障（动态范围有限）。由于预期篡改将尝试使用一个大字段，这是一个很大的限制。
图3：平面霍尔效应传感器
霍尔效应传感技术的最新突破使得全方位磁传感器集成电路能够满足篡改检测的所有要求。集成电路设计和制造的进步现在支持垂直霍尔传感器的构建（见图4）。垂直和平面传感器基于相同的物理现象，但构造方法不同：
平面：分布在芯片的宽度和长度上；无论方向如何，都只感知Z尺寸
垂直：从芯片的深度从上到下构造;可以定向为感测X，Y或其他方向
平面霍尔元件对垂直于IC封装表面的场敏感，而垂直霍尔效应器件对平行于模具的轴敏感，如X或Y尺寸。图4显示了垂直门厅板的构造细节。两个垂直霍尔传感器与一个集成电路中的平面霍尔传感器相结合，形成了一个磁传感器，它可以感应磁场而不受方向（X、Y和Z）的影响，并且不受高强度磁场的影响。在过去，这种解决方案需要三个离散的集成电路，需要高达56毫米2PCB面积。Allegro MicroSystems，LLC最近推出的A1266就是这种装置的一雷竞技竞猜下载个例子（见图5），这种装置采用小型表面贴装SOT-23W封装，仅需9mm2PCB。A1266也具有非常高的灵敏度（操作点，B操作)因此，它可以检测到大面积或大体积的篡改企图5.表1中显示了可用技术的比较。
图4：垂直霍尔效应传感器
图5:A1266的特点是3D全极响应，非常适合篡改检测
表1：磁传感器集成电路可用技术的比较
| 技术 | 极性 | 方向性 （最高灵敏度） |
笔记 |
|---|---|---|---|
| 平面厅 | 全极 | 仅Z | 最受欢迎的遗产方法 |
| 垂直大厅 | 全极 | 十、 Y或其他平面内方向 | 磁敏敏IC的前沿技术 |
| 磁阻（MR） | 全极 | X-Y平面 | 可能在高磁场下反转 |
不同传感器响应的映射清楚地显示了高灵敏度、全向、全极性传感器的优越性。以下地图假设一个大的矩形仪表，其表面尺寸高达290 mm×165 mm，以及一个50 mm×50 mm×50 mm N45磁铁（见图6和图7）。
被测传感器位于前面35毫米的电表的中间。使用机器人映射站在表面上方10mm的仪表前面的长度和宽度横跨磁体移动。图8显示了设置为映射传感器的响应的映射站。
图6：假设仪表尺寸和传感器气隙
图7：磁铁方向（S极到仪表表面）
图8：机器人绘图站
图9显示了在使用传统平面霍尔传感器检测磁场时，对这个假设仪表进行映射的结果，该传感器在Z维上具有最高的灵敏度。蓝色区域是被测传感器能够检测到磁铁存在的磁铁位置区域。磁铁位于传感器正上方时，很容易被检测到。当磁铁在X-Y平面上移动时，气隙增大，磁场方向可能不再沿着灵敏度最高的轴（Z）。然而，传感器能够在大约148mm×148mm的区域内检测到磁铁。
图10显示了在单个IC封装中使用由2个垂直霍尔和1个平面霍尔传感元件组成的全向（3D）霍尔传感器检测磁场时映射相同假设仪表的结果。蓝色区域是被测传感器能够检测到磁铁存在的磁铁位置区域。磁铁位于传感器正上方时，很容易被检测到。当磁铁在X-Y平面上移动时，气隙增大，但由于磁铁离轴，影响较小。在这种情况下，传感器可以在一个更大的区域，几乎整个表面的假设表（约280毫米×165毫米的覆盖范围）检测磁铁。
无论哪种情况，都可以使用多个传感器来覆盖更大的区域或体积。然而，需要较少的3D传感器实例来覆盖大面积/大体积。在所示的示例中，磁铁处于理想的方向，可以通过传统的平面霍尔（1D）传感器进行检测。图9所示的性能可能会下降的情况下，磁铁是适用于其他方向或侧面的仪表。
这突出了3D传感器的另一个优势，即它能够检测随机施加在仪表外部的磁场。对于较小的电表，例如典型的单相住宅电表，单个3D传感器IC可能足以覆盖整个电表。通过结合平面和垂直霍尔元件，像Allegro MicroSystems，LLC的A1266这样的设备能够检测大面积/大体积的磁篡改，而且几乎不考虑磁铁的方向。这大大简化了系统设计，并允许使用最少数量的传感器进行最敏感的篡改检测。雷竞技竞猜下载
图9：1D平面霍尔效应传感器的篡改覆盖率（43%）（蓝色表示检测区域）
图10:3D霍尔效应传感器的篡改覆盖率（92%）（蓝色表示检测区域）
智能电表标准
在全球范围内，有多个组织正致力于定义和标准化智能电表规范。这些标准越来越多地要求电表检测篡改。这些组织中有些是政府实体，有些是专门的行业团体。个别电网运营商也可以为其采购和部署的电表制定自己的标准。当涉及到磁篡改时，关于准确规范和测试方法的详细程度因标准而异。表2列出了一些致力于制定智能电网系统标准的组织。
表2：智能电表行业标准
| 地区 | 代理/标准 | 链接 |
|---|---|---|
| 中国 | 塞普里 | cepri.com.cn网站 |
| 南瑞 | www.narigroup.com |
|
| SGCC. | 国家电网公司网站www.sgcc.com.cn/ywlm/index.shtml |
|
| 德国 | 德国工业标准 | www.din.de/en |
| VDE/FNN公司 | www.vde.com/en/pages/homepage.aspx. |
|
| 印度 | 工业标准局 | www.bis.org.in |
| 中央电力管理局 | www.cea.nic.in/regulations.html. |
|
| IEEE（印度） | smartgrid.ieee.org/raybet软件resources/public-policy/india. |
|
| 电力部 | indiasmartgrid.org/en/technology/Pages/Advanced-计量-基础设施.aspx |
|
| 多个 | IEEE–智能电网 | smartgrid.ieee.org |
| 国际电工委员会 | www.iec.ch/index.htm |
|
| 主要联盟 | www.prime-alliance.org/？p=68个 |
|
| U、 S.A。 | ANSI. | www.ansi.org. |
| 尼玛 | www.nema.org |
工具书类
1纳维甘特研究公司（Navigant Research）的理查德•马丁（Richard Martin）表示，2018年（2013年7月11日）全球智能电表的年出货量将达到1.31亿台的峰值(https://www.navigantsearch.com/newsroom/global-smart-meter-unit-shippings-will-peak-at-131-million-yearly-in-2018年)
2全球每年因窃电损失893亿美元，新兴市场损失587亿美元，2014年12月9日，PRNewswire(www.prnewswire.com/news-releases/world-loss-8930-billion-to-electric-theft-annual-5870-billion-in-emerging-markets-300006515.html)，来源：东北集团有限责任公司(www.northeast-group.com)
三联邦调查局：智能电表黑客可能蔓延，2012年4月9日，克雷布斯谈安全(http://krebsonsecurity.com/2012/04/fbi-smart-meter-hacks-likely-to-spread/)
4Allegro Hall效应传感器IC，Shaun Milano，Allegro Micro雷竞技竞猜下载systems，LLC（//www.wasanxing.com/en/Insights-and-innovations/technical-documents/hall- effect-sensor-ic-publications/allegro-hall-hall-yefcect- sensocigs.)
5A1266微功率超灵敏3D霍尔效应开关数据表，Allegro MicroSystems，LLC(雷竞技竞猜下载//www.wasanxing.com/en/products/sense/switches-and-latches/micropower-switches-latches/a1266)
最初在2016年1月在Edn China发表。重印许可。