垂直霍尔技术可以实现有效的篡改检测
垂直霍尔技术可以实现有效的篡改检测
作者:Joseph Hollins和Ryan Metivier
雷竞技竞猜下载Allegro Microsystems，LLC
各种机械和电子系统都是磁篡改的潜在目标。无道德的个人可能会攻击已部署的电子设备，如智能电表、自动取款机、赌博/赌博机、售票机或电子锁等，希望改变或使其失效，或窃取产品或服务。本文主要讨论智能电表，但所讨论的原理也直接适用于其他系统。
全球各地，正在部署智能电表，以使能源使用报告和监控更高效和准确。许多水表，燃气表和电表含有允许自动电子收集和使用传输的智能电子产品。根据Naigigant Research1此外，到2018年，每年将有13100万智能电表。电气盗窃是电网运营商和政府监管机构的主要问题。智能仪表正在攻击磁铁，试图欺骗仪表读取零，或大幅减少，能源使用2．据估计，由于智能仪表篡改，每年近90亿美元的能量被窃取2．
图1：典型的智能电表
用电子仪表篡改采用的一种方法是使用强大的磁铁来破坏仪表检测功耗的能力3.．磁铁通常非常强壮，并且可能是相对较大的和重的。诸如此类的磁铁可以在线购买或简单地从废弃的电子设备和计算机（电子废物）销售。当这些磁体接近仪表时，它们开始磁通地达到用于检测电流流过仪表的电流变压器。核心的饱和基本上“百叶窗”仪表流过多少仪表。
尽管对仪表制造商来说，在使用时防止这种行为可能是一项挑战，但检测篡改企图是很有可能的，以便采取补救措施，如派遣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电表规范，其中包括对电表检测篡改企图的要求。详见“表2:智能电表行业标准”(下)。
为了有效，用于检测篡改的磁传感器必须具有以下特征：
- 高灵敏度:尽管应用在系统外部的磁铁可能很强，但磁铁的磁场强度随着其移动的距离呈指数衰减。传感器内部位置的磁场强度可能远低于磁铁表面的磁场强度。如果灵敏度不够高，该仪表中使用的某些组件可能会扭曲外加磁场，在传感器的探测区域造成“阴影”或“洞”。
- 高动态范围:一些磁敏感技术在磁场上有上界。霍尔效应技术对应用的磁场没有上限。全极敏感性:企图篡改的人不太可能会注意到磁体的哪一极适用于系统的情况，或者他们可能会尝试所有磁体来找到一个有效的。不管磁铁的方向如何，传感器都应该探测磁场。
- 全向灵敏度:许多遗留的磁传感器只对单一方向或平面的磁场敏感。由于外部磁铁可以以任何方向应用到仪表表面的任何暴露点(正面、顶部、底部或侧面)，传感器应在所有三个方向(X、Y和Z)上具有同等的灵敏度。
一般而言，磁体的场强逐渐衰减，因为它可以进一步远离磁体移动。作为示例，具有6000g（600mt）的表面磁强度为6000g（600mt）的大（50mm×50mm×50mm）稀土磁铁将在50毫米距离时具有约600g（60 mt）的磁场（厚度一倍）。图2说明了这种现象。较小的磁铁将比较大的磁铁更少“到达”。作为经验的规则，表面处的大约1/10的磁场将存在于等于磁体的厚度的距离处。
图2：磁场与距磁极的距离（mm）50 mm×50 mm×50 mm n45磁体
当传感器安装在电表内时，在确定传感器将在其表面上的仪表外部放置在仪表外部的磁体时，必须考虑距离仪表的侧面和表面的距离。
磁感测最流行的遗产解决方案是霍尔效应传感器IC。这些ICS检测使用霍尔效应的磁场，以埃德文厅命名，在1879年，世卫组织在1879年发现，当磁场在垂直于板的平面的方向上穿过板时，电压电位在电流携带的导电板上发展4.．如图3所示，在导电板上施加电流。垂直于平板的磁场(电流)将导致平板两端产生差动电压。传感器测量这个电压作为应用领域的指示。请注意，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。在表面贴装ic的情况下，该板通常平行于安装传感器的PCB板的平面。无论传感器的方向/旋转如何，只有Z维的场被有效地感知。
有效地感测X和Y场将需要额外的传感器，该传感器安装在彼此直角的单独的PCB上，并且安装在主板或引线传感器上并且可能导致的传感器形成，使得霍尔板正确定向。这两种方法都推出了组件计数和成本，系统复杂性和装配成本。可能有可能安装大量传统的平面霍尔传感器，并依靠“边缘”字段来激活它们，但是，此次，这会增加系统成本和复杂性。
各种磁阻技术已被用于产生磁传感器IC。这些传感器通常具有平面响应，即，它们可以检测X-y平面中的字段，但对Z字段的响应有限。此外，非常高的字段实际上可以使传感器饱和和故障（有限的动态范围）。由于期望是将使用大字段尝试篡改，这是一个显着的限制。
图3:平面霍尔效应传感器
最近在霍尔效应感测的突破使得创建了全向磁传感器IC，其符合篡改检测的所有要求。IC设计和制造的进步现在支持垂直霍尔传感器的构造（见图4）。垂直和平面传感器基于相同的物理现象，但不同的施工方法：
平面：布置在芯片的宽度和长度上;无论方向如何，才能感测Z维度
垂直:沿晶片的深度从上到下构造;可以指向X, Y或其他方向
虽然平面霍尔元件对垂直于IC封装的面部敏感，但垂直的霍尔效应装置在与诸如x或y尺寸的芯片平行的轴上敏感。图4显示了垂直霍尔板的施工细节。两个垂直霍尔传感器，与平面厅传感器联合在单个IC中，形成一个磁传感器，无论方向（x，y和z）如何感测场，并且对高强度领域免疫。在过去，这种解决方案需要三个可行的IC，最多可达56毫米2PCB区域。最近介绍了Allegro Microsystems的A1266，LLC雷竞技竞猜下载是这种装置的一个例子（参见图5），在一个只需要9毫米的小型表面安装的SOT-23W包中2PCB。A1266还具有很高的灵敏度(工作点，Bop.）因此它可以检测到大面积或容量的篡改尝试5.．可用技术的比较如表1所示。
图4:垂直霍尔效应传感器
图5：A1266采用3D全极响应，适用于篡改检测
表1：磁传感器IC的可用技术的比较
| 技术 | 极性 | 方向性 （最高敏感性） |
笔记 |
|---|---|---|---|
| 平面大厅 | 万能 | 只有 | 最流行的遗留方法 |
| 垂直的大厅 | 万能 | x，y或其他面内方向 | 磁敏敏IC的前沿技术 |
| 磁阻(先生) | 万能 | x-y飞机 | 可能会在高场颠倒 |
不同传感器的响应的映射清楚地显示了高灵敏度，全向，无峰传感器的优越性。以下地图采用大型矩形仪表，面尺寸高达290 mm×165 mm，50 mm×50 mm×50 mm N45磁体（参见图6和图7）。
待测传感器位于电能表的中间，距离前面板35毫米。通过一个机器人测图站，磁体在距离地面10毫米以上的仪表正面的长度和宽度上移动。图8显示了为映射传感器响应而设置的映射站。
图6：假设仪表尺寸和传感器气隙
图7：磁铁取向（S-杆面对仪表）
图8：机器人映射站
图9示出了使用具有其在Z维度最高灵敏度的传统平面霍尔传感器在检测磁场的同时映射该假设仪表的结果。蓝色区域是磁体位置的区域，其中传感器能够检测磁体的存在。当它直接在传感器上方时，容易检测到磁铁。当磁体在X-Y平面中移动时，气隙增加并且场方向可以不再沿着最高灵敏度（Z）的轴线。然而，传感器能够检测大约148mm×148mm的区域内的磁体。
图10示出了使用由单个IC封装中的2个垂直霍尔和一个平面厅感测元件在单个IC封装中使用的全向（3D）霍尔传感器来映射相同假设仪表的结果。蓝色区域是磁体位置的区域，其中传感器能够检测磁体的存在。当它直接在传感器上方时，容易检测到磁铁。当磁体在X-Y平面中移动时，气隙增加但由于磁体偏离轴而导致的效果较小。在这种情况下，传感器可以在更大的区域上检测磁体，几乎整个面的假设仪表（约280mm×165mm覆盖）。
在任何一种情况下，都可以使用多个传感器来覆盖更大的区域或卷。然而，需要更少的3D传感器的情况来覆盖大面积/体积。在所示的示例中，磁体处于常规平面厅（1D）传感器检测的理想方向。图9所示的性能可能在磁铁以其他方向或仪表的侧面施加的情况下劣化。
这突出了3D传感器的另一个优点，这是其检测随机应用于仪表外部的磁场的能力。在较小仪表的情况下，例如典型的单相住宅电表，单个3D传感器IC可以足以覆盖整个仪表。通过组合平面和垂直的霍尔元件，诸如Allegro Microsystems的A1266等装置，LLC能够在大面积/体积上检测磁性篡改，并且几乎不考虑磁体的方向。雷竞技竞猜下载这极大地简化了系统设计，并允许使用最少的传感器数量来检测最敏感的篡改检测。
图9：带有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：带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，有多个组织正在努力定义和标准化智能仪表规格。这些标准越来越多地包括仪表来检测篡改的要求。其中一些组织是政府实体，而有些人是临时行业团体。各个网格运营商还可以为他们采购和部署的仪表设置自己的标准。当涉及磁性篡改时，关于确切规格和测试方法的细节水平从一个标准到另一个标准变化很大。表2是努力定义智能电网系统标准的一些组织的列表。
表2：智能电表行业标准
| 地区 | 代理/标准 | 关联 |
|---|---|---|
| 中国 | CEPRI. | www.cepri.com.cn. |
| 纳里 | www.narigroup.com. |
|
| 有关 | www.sgcc.com.cn/ywlm/index.shtml. |
|
| 德国 | din | www.din.de/en. |
| VDE / FNN. | www.vde.com/en/Pages/Homepage.aspx |
|
| 印度 | 行业标准局 | www.bis.org.in. |
| 中央电力机关 | www.cea.nic.in regulations.html |
|
| IEEE（印度） | smartgrid.ieee.org/raybet软件resources/public-policy/india |
|
| 权力部 | indiasmartgrid.org/en/technology/pages/advanced-metering-infrastructure.aspx. |
|
| 多 | IEEE - SmartGrids. | smartgrid.ieee.org. |
| IEC. | www.iec.ch/index.htm. |
|
| Prime Alliance. | www.prime-alliance.org/?p=68. |
|
| 美国。 | ANSI. | www.ansi.org |
| NEMA | www.nema.org. |
参考
12018年7月11日，2018年7月11日，全球智能仪表单位出货量将在2018年7月11日，Richard Martin，Narigant Research（https://www.navigantresearch.com/newsroom/global- amart-meter-unit-hashments-will-peakinaly-in-218.）
22014年12月9日，全球每年损失893亿美元的电力盗窃，587亿美元，新兴市场，2014年12月9日，PRNEWSWIRE（www.prnewswire.com/news-releases/world-loses-893-pillion-to inelticity-theft-annaly-587-billion-in-emerging-markets-300006515.html.），来源：东北组，LLC（www.northeast-group.com.）
3.FBI：智能电表黑客可能会传播，2012年4月9日，克雷布斯（http://krebsonsecurity.com/2012/04/fbi-smart-meter-hacks-likely-to-to-spread/）
4.Allegro霍尔效应传感器ic, Shaun Milano, Allegro MicroS雷竞技竞猜下载ystems, LLC (//www.wasanxing.com/en/insights-and-innovations/technical-documents/hall-effect-sensor-ic-publications/allegro-hall-effect-sensor-ics）
5.A1266 MicroPower超敏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）
最初发表于EDN中国，2016年1月。允许转载。