二、基于AMR技術的智能水表方案

　　隨著人類社會不斷的發展，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、工農業的快速發展，使得人類對水的需求逐年增加。無序的開發和環境的污染更加重了水資源的危機。曾經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力圖建立節水型社會體系。一系列的節水措施給水表制造產業的發展帶來機遇，同時也提出了挑戰。

　　目前國內水表的種類很多，按照測量原理可以分為速度式水表和容積式水表，按照結構和技術可分為純機械式，帶電子裝置的混合式和全固態電子式水表。因為成本的原因，純機械式和混合式占據了國內水表市場的絕大多數。但隨著計量技術的發展，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，并考慮與國外先進標準接軌，全面提升水表產業技術水平，發布了等同采用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定。傳統的機械式水表往往因為系統材料、機械加工等原因，大多量程比不高，要實現新標準要求的更高量程比的水表，往往需要非常長的設計、測試和標定周期，往往造成更多的資金、人員和時間的投入。而新的計量技術例如超聲波和電磁感應等往往因為器件、生產成本等因素只能適用于特殊的場合，無法大規模的應用于普通電子水表中。

　　如何在保持現有基表設計的基礎上設計出更高計量參數的水表也現實地擺在水表行業面前。EPSON結合自身電子元器件特點和感檢測技術，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，取消了傳統計數齒輪和磁簧開關等易損部件，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計理念，也體現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）都采用低功耗設計生產技術，特別針對電池供電系統。

　　方案框圖如圖所示：

　　水量檢測通過安裝在葉輪轉動軸上的磁鐵隨著水流旋轉，在周邊產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、并將結果通過液晶或脈沖輸出。

　　除了一般流量統計外，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。水流方向的設置，即使水表倒裝，也可以正常統計反轉流量； 檢測周期的設置，讓開發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，電阻變化最小；根據這個特性，將磁場方向轉變為電阻變化，進而轉化為電壓的變化，最終由微處理器來分析處理。

　　相比于目前傳統的電子水表，EPSON的電子水表方案具有如下明顯的優勢：

　　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，內部集成了兩組全橋 磁阻網絡，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．傳感器準確感應基表葉輪轉過的圈數

　　２．每一圈流過的水量

　　由于采用磁阻檢測計量，減少了傳統電子水表必需的多個計數齒輪，簡化了機械運動部件的設計，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輸出連續的波形，根據相位差最小可以檢測到葉輪1/8周的轉動，并依據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，提高了圈數統計的準確性，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，測量的重復性好，配合計量標定過程，在機械結構基本不變的前提下，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手段。

　　系統簡單，高度集成，外圍器件少，可靠性提高

　　除了傳統的機械部分外，系統主要的元器件為專用處理芯片S1C17M01和AMR傳感器芯片。專為流量檢測設計的S1C17M01 內部集成AMR控制器，包括模擬前端（AFE），帶磁滯功能的比較器，相位/圈數計數器等功能電路，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段液晶驅動器，定時器、實時時鐘、低電壓檢測，R/F轉換器，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，避免了傳統機械/磁簧開關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設計的可靠性和穩定性，同時也降低了開發和制造成本。

　　極低的系統功耗和電源管理更適合電池供電系統

　　不同與電表的設計，水表往往因為環境的限制，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計者。憑借著多年在低功耗產品設計積累的技術和經驗，EPSOＮ從一開始就關注方案整體的功耗，特別設計的專用處理器和選擇的低功耗傳感器，使系統整體工作電流在40rps轉速的情況下僅為6.5uA， 無水流時系統工作電流更低至2uA（包括傳感器功耗在內），

　　在保證水表使用壽命的前提下，設計者可以采用更小更低成本的電池。

　　完整的設計支持

　　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，用戶簡單設置幾個參數就可以完成，并可以以此為基礎定制出更多更復雜的計量功能。

　　該方案還可以應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，需要更詳細的產品和方案信息，請聯系EPSON各地分公司電子元器件部門。