DE102015106208B4

DE102015106208B4 - Elektrizitätszähler mit magnetfeldsensorsystem zur detektion von manipulationsversuchen und mit intelligenter aufwachfunktion

Info

Publication number: DE102015106208B4
Application number: DE102015106208.9A
Authority: DE
Inventors: Mohit Berry; Renato Bessegato; Mario Motz
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2015-04-22
Filing date: 2015-04-22
Publication date: 2023-06-22
Anticipated expiration: 2035-04-23
Also published as: DE102015106208A1

Abstract

Elektrizitätszähler mit Anti-Manipulationsfunktion, der aufweist:zumindest eine Vorrichtung, die auf externe Magnetfelder empfindlich ist, die den Betrieb der Vorrichtung stören;eine Steuereinheit (10), die dazu fähig ist, in einem Normalmodus und einem Ruhemodus zu arbeiten;eine 3D-Magnetfeldsensorvorrichtung (20), die dazu ausgebildet ist, die externen Magnetfelder in zumindest einer vorbestimmten Position zu ermitteln und für die Steuereinheit (10) ein Aufwachsignal für die Steuereinheit (10) zu erzeugen, wenn die ermittelten externen Magnetfelder in der zumindest einer vorbestimmten Position einen zugehörigen Schwellenwert übersteigen,wobei die 3D-Magnetfeldsensorvorrichtung (20) eine Kommunikationsschnittstelle (201) aufweist, welche eine digitale Kommunikation mit der Steuereinheit (10) über eine Datenleitung (12) ermöglicht, undwobei die Steuereinheit (10) nach dem Aufwachen aus dem Ruhemodus im Normalmodus von der 3D-Magnetfeldsensorvorrichtung (20) über die Datenleitung (12) gemessene Magnetfeldwerte empfängt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft das Gebiet der Sensoren und Messtechnik und insbesondere Sensoren, welche mit einer Steuereinheit kommunizieren und in einer Vielzahl von Mess- und Regelsystemen angewendet werden können wir z.B. elektronische Messgeräte wie z.B. Elektrizitätszähler und Durchflussmesser.
HINTERGRUND
In vielen modernen Mess- und Regelsystemen können Sensoren notwendig sein, um mit einer Steuereinheit (z.B. einem Mikrocontroller) zu kommunizieren, der üblicherweise in einem vom Sensor separaten Chipgehäuse enthalten ist. Die Steuereinheit ist üblicherweise dazu ausgebildet, kontinuierlich oder regelmäßig ein von einem Sensor erzeugtes Ausgangssignal zu lesen und zu verarbeiten. zusätzlich zur Kommunikation mit dem Sensor und der Verarbeitung des Sensorausgangssignals kann die Steuereinheit weitere Funktionen bereitstellen, wie beispielsweise das Ansteuern eines Displays oder anderer Ausgabevorrichtungen, das Empfangen von Benutzereingaben, das Kommunizieren mit externen Vorrichtungen (z.B. mittels einer USB-Schnittstelle), etc.
Die Publikation US 2011 / 0 283 126 A1 betrifft ein System, bei dem ein Hauptprozessor mittels eines Interrupt-Signals aus einem Ruhemodus aufgeweckt wird, wobei das Interrupt-Signal basierend auf gemessenen Beschleunigungswerten erzeugt wird. Die Publikation US 2004 / 0 181 703 A1 betrifft die Auswahl verschiedener Betriebsmodi in einem elektronischen Gerät. Die Publikation US 2014 / 0 342 671 A1 betrifft ein Smartphone, bei dem mittels 3D-Magnetfeldsensoren die Annäherung eines magnetischen Materials detektiert wird. Die e Publikation US 2014 / 0 091 946 A1 betrifft einen Elektrizitätszähler, der Reed-Schalter aufweist, die eine Benutzer magnetisch für Wartungszwecke aktivieren kann. Die Publikation EP 2 775 265 A1 betrifft ebenfalls einen Elektrizitätszähler mit verringertem Stromverbrauch. De Publikation DE 10 2012 200 213 A1 betrifft einen magnetischen Neigungssensor. Die Publikation DE 10 2006 032 338 A1 betrifft eine Motorsteuerung. Die Publikation US 2011 / 0 239 026 A1 betrifft ein Mobilgerät mit einem Bewegungssensor. PublikationUS 2011 / 0 080 367 A1 betrifft ebenfalls ein Mobilgerät mit einer Wakeup-Detektionsschaltung, die Messwerte eines Kraftsensors auswertet. Die Publikation US 2010 / 0 277 304 A1 betrifft ein elektronisches Gerät, welches aktiviert oder deaktiviert wird, wenn detektiert wird, dass das Magnetfeld eines Permanentmagneten durch ein externes Feld gestört wird.
Insbesondere werden 3D-Magnetfeldsensoren in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Ein 3D-Magnetfeldsensor ist dazu ausgebildet, Magnetfeldkomponenten in drei verschiedenen Richtungen zu messen, beispielsweise in x-, y- und z-Richtung eines Kartesischen Koordinatensystems. In vielen praktischen Anwendungen ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, das Sensor-Ausgangssignal zu protokollieren. Beispielsweise kann in einem elektronischen Elektrizitätszähler das Vorhandensein von externen Magnetfeldern detektiert und zusammen mit einem Zeitstempel protokolliert werden, um Versuche, den Elektrizitätszähler und folglich die Elektrizitätsmessung (und die Stromrechnung) zu manipulieren, zu detektieren oder zu verhindern. Zu diesem Zweck muss die Steuereinheit regelmäßig das Sensorausgangssignal lesen und die gemessenen Magnetfeldwerte (fallweise nach einiger Signalverarbeitung) als Nachweis für den Manipulationsversuch in einem Speicher protokollieren. Um diese Funktion bereitzustellen ist die Steuereinheit immer aktiv ungeachtet dessen, ob ein externes Magnetfeld vorhanden ist oder nicht.
Ein Aufgabe (neben anderen) eines Systemdesigns ist es, die Leistungsaufnahme des Gesamtsystems zu reduzieren. Das ist insbesondere in Systemen wünschenswert, in denen die Leistungsaufnahme ein kritischer Parameter des Systems ist, da dieses mittels Batterie oder Pufferkondensatoren versorgt wird.
ZUSAMMENFASSUNG
Die oben genannte Aufgabe wird durch den Elektrizitätszähler gemäß Anspruch 1 gelöst. Verschiedene Ausführungsbeispiele und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Der Elektrizitätszähler weist ein Anti-Manipulationsfunktion auf und umfasst zumindest eine Vorrichtung, die auf externe Magnetfelder empfindlich ist, die den Betrieb der Vorrichtung stören; eine Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, in einem Normalmodus und einem Ruhemodus zu arbeiten; und eine 3D-Magnetfeldsensorvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, die externen Magnetfelder in zumindest einer vorbestimmten Position zu ermitteln und für die Steuereinheit ein Aufwachsignal für die Steuereinheit zu erzeugen, wenn die ermittelten externen Magnetfelder in der zumindest einer vorbestimmten Position einen zugehörigen Schwellenwert übersteigt. Die 3D-Magnetfeldsensorvorrichtung weist eine Kommunikationsschnittstelle auf, welche eine digitale Kommunikation mit der Steuereinheit über eine Datenleitung ermöglicht, wobei die Steuereinheit nach dem Aufwachen aus dem Ruhemodus im Normalmodus von der 3D-Magnetfeldsensorvorrichtung über die Datenleitung gemessene Magnetfeldwerte empfängt.
Des Weiteren umfasst ein 3D-Magnetfeldsensor ein 3D-Sensorelement zum Messen der Magnetfeldstärke. Das 3D-Sensorelement stellt drei Sensorsignale zur Verfügung, welche die Magnetfeldstärke in drei verschiedene Raumrichtungen repräsentieren. Der 3D-Magnetfeldsensor umfasst des Weiteren eine Komparatorschaltung, die dazu ausgebildet ist, die Sensorsignale mit zugehörigen Schwellenwerten zu vergleichen und entsprechende Komparatorausgangssignale zu erzeugen, sowie eine Kombinationsschaltung (combiner circuit), die dazu ausgebildet ist, aus den Komparatorausgangssignalen ein Aufwachsignal für eine externe Steuerung (controller) zu erzeugen. Ein Ausgang stellt die Sensorsignale der externen Steuerung zur Verfügung.
In einem anderen Beispiel umfasst der 3D-Magentfeldsensor ein 3D-Sensorelement zum Messen der Magnetfeldstärke. Das 3D-Sensorelement stellt drei Sensorsignale zur Verfügung, welche die Magnetfeldstärke in drei verschiedene Raumrichtungen repräsentieren. Der 3D-Magnetfeldsensor umfasst des Weiteren eine Extrapoliereinheit, die dazu ausgebildet ist, basierend auf einem oder mehreren der drei Sensorsignale ein oder mehrere extrapolierte Signale zu berechnen, die das Magnetfeld an den jeweiligen einen oder mehreren Positionen repräsentieren, die von der Position des 3D-Sensors verschieden sind. Eine Komparatoreinheit ist dazu ausgebildet, das (die) extrapolierte(n) Signal(e) mit (einem) zugehörigen Schwellenwert(en) zu vergleichen und (ein) entsprechende(s) Ausgangssignal(e) zu erzeugen.
Schließlich ist ein elektronisches Messsystem mit einer Steuereinheit beschrieben, die dazu fähig ist, in einem normalen Moduls und in einem Ruhemodus (sleep mode) zu arbeiten, und eine 3D-Magnetfeldsensorvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, das Magnetfeld in zumindest einer vorbestimmten Position zu ermitteln und ein Aufwachsignal für die Steuereinheit zu erzeugen, wenn das bestimmte Magnetfeld in der zumindest einen vorbestimmten Position einen zugehörigen Schwellenwert überschreitet.
Figurenliste
Die Erfindung lässt sich mit Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und Abbildungen besser verstehen. Die in den Figuren dargestellten Komponenten sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, vielmehr wird Wert darauf gelegt, die der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen. Des Weiteren bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszeichen korrespondierende Teile. Zu den Abbildungen:

1 ist ein Blockdiagramm, das die allgemeine Struktur einer Sensorvorrichtung mit einer Digitalschnittstelle zur Kommunikation mit einer externen Steuereinheit illustriert;
2 ist ein Blockdiagramm, das einen exemplarischen Elektrizitätszähler illustriert, der einen 3D-Magnetfeldsensor und eine Steuereinheit gemäß einem Beispiel der Erfindung aufweist;
3 ist ein Blockdiagramm, das eine exemplarische Magnetfeldsensorvorrichtung illustriert, die dazu ausgebildet ist, ein „smartes“ Aufwachsignal für die Steuereinheit zu erzeugen;
4 ist ein Blockdiagramm, das eine andere exemplarische Magnetfeldsensorvorrichtung ähnlich dem vorigen Beispiel aus 3 illustriert;
5 ist ein Blockdiagramm, das einen exemplarischen Elektrizitätszähler mit einem 3D-Magentfeldsensot und einer Steuereinheit gemäß 3 illustriert;
6 ist ein Blockdiagramm, das eine andere exemplarische Magnetfeldsensorvorrichtung illustriert, die dazu ausgebildet ist, das smarte Aufwachsignal für die Steuereinheit zu erzeugen;
7 ist ein Blockdiagramm, das eine andere exemplarische Magnetfeldsensorvorrichtung illustriert.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden unten im Kontext einer bestimmten Anwendung diskutiert, nämlich einem Elektrizitätszähler, welcher zum Zweck der Rechnungsstellung an Kunden basierend auf der von ihnen verbrauchten Menge an elektrischer Energie verwendet werden kann. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf Anwendungen mit Bezug zur Elektrizitätsmengenmessung beschränkt und manche der hier beschriebenen erfinderischen Konzepte können einfach in anderen Applikationen verwendet werden. Tatsächlich können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung in einer Vielzahl von Applikationen verwendet werden, in denen Magnetfelder beobachtet oder detektiert werden müssen.
1 illustriert die allgemeine Struktur einer Sensorvorrichtung mit einer Digitalschnittstelle zur Kommunikation mit einer externen Steuereinheit. Solche Sensorvorrichtungen werden manchmal als digitale Sensoren oder „smarte Sensoren“ bezeichnet, da sie Schaltungsanordnungen zur Analog-Digital-Wandlung und zur Kommunikation mit externen Komponenten aufweisen. In dem vorliegenden Beispiel weist die Sensorvorrichtung ein Sensorelement 202 auf, das beispielsweise ein 3D-Hallsensorelement zum Messen der Magnetfeldstärke an der gegenwärtigen Position des Sensorelements sein kann. Ein vom Sensorelement bereitgestelltes analoges Sensorsignal, welches den zu messenden physikalischen Parameter (z.B. eine Magnetfeldstärke in einer bestimmten Raumrichtung) repräsentiert, ist einem Analog-Digital-Wandler 203 zugeführt. Der Analog-Digital-Wandler 203 digitalisiert das Sensorsignal und erzeugt ein entsprechendes Digitalsignal, welches die gemessenen physikalischen Parameter repräsentiert. Das Digitalsignal wird einer Kommunikationsschnittstelle 201 zugeführt, welche eine digitale Kommunikation mit einer externen Steuereinheit 10 (z.B. einem Mikrocontroller) ermöglicht. Die Kommunikationsschnittstelle 201 kann entsprechend einem beliebigen bekannten Standard implementiert sein, beispielsweise SPI (Serial Peripheral Interface) oder I2C (Inter-Integrated Circuit). Insbesondere eine SPI-Schnittstelle ist in vielen üblichen Mikrocontrollertypen inkludiert.
2 illustriert eine exemplarischer Applikation eines Magnetfeldsensors in einem Elektrizitätszähler, wobei der Magnetfeldsensor dazu verwendet wird, Manipulationsversuche an dem Zähler zu detektieren. Viele elektronische Geräte beinhalten Komponenten, die empfindlich auf externe Magnetfelder sind. In einem Elektrizitätszähler werden beispielsweise Stromwandler (current transformer) dazu verwendet, um den durch den Zähler fließenden Strom zu messen. Wenn der Magnetkern eines Stromwandlers von einem externen Magnetfeld (erzeugt z.B. von einem Seltenerdpermanentmagneten) magnetisiert oder sogar gesättigt wird, wird die Strommessung (sowie die auf der Strommessung basierende Energiemessung) verfälscht. Um derartige Manipulationsversuche an dem Elektrizitätszähler zu detektieren und zu protokollieren, kann der Zähler einen Magnetfeldsensor zur Detektion externer Magnetfelder aufweisen. 2 zeigt den grundlegenden Aufbau eines elektronischen Elektrizitätszählers. 2 zeigt drei Phasenleiter L1, L2, L3 und den Nullleiter N in einem Dreiphasen-Stromversorgungssystem (z.B. in einem Apartment oder einem Haus). Die Stromwandler CT1, CT2, CT3 und CT4 sind mit dem Phasenleitern L1, L2, L3 und dem Nullleiter N so gekoppelt, dass die Ströme, die durch die Leiter fließen, auch durch die Primärseite der jeweiligen Stromwandler fließen. Die Sekundärseiten der Stromwandler sind mit einem Messprozessor 30 (metrology processor) gekoppelt. Die Spannungen der Phasenleiter L1, L2 und L3 (bezogen auf den Nullleiter N) sind über Spannungssensoren VS, die üblicherweise eine galvanische Trennung aufweisen, mit dem Messprozessor 30 verbunden. Der Messprozessor kann dazu ausgebildet sein, eine Vierquadranten-Multiplikation durchzuführen, um die Menge der aus dem Stromnetz bezogenen Wirkleistung sowie die Menge der die Leiter belastenden Blindleistung zu messen. Die Energiemessung kann üblicherweise unabhängig von anderen Komponenten wie z.B. der Steuereinheit 10 arbeiten. Die Steuereinheit 10 wird jedoch verwendet, um Peripheriekomponenten zu steuern wie z.B. ein Display, das den aktuellen Zählerstand anzeigt, ein Tastenfeld zur Ermöglichung von Nutzereingaben, eine Kommunikationsschnittstelle (z.B. eine RS-232-Schnittstelle) zur Kommunikation mit externer Ausrüstung wie z.B. einem Gerät zum automatischen Auslesen des Zählerstandes.
Eine Sensorvorrichtung 20 zum Messen von Magnetfeldern ist mit der Steuereinheit 10 gekoppelt, welche kontinuierlich oder regelmäßig den Sensorausgang ausliest und das Sensorsignal verarbeitet, wenn das Magnetfeld unzulässig hoch ist. Eine derartige Verarbeitung kann die Protokollierung der gemessenen Magnetfeldwerte zusammen mit einem Zeitstempel, das Auslösen eines Alarms, etc. beinhalten. Die gemessenen Daten können auch dazu verwendet werden, die Auswirkung des Magnetfelds zu kompensieren und den Zählerstand entsprechend zu korrigieren. Das Beispiel aus 2 beinhaltet nur eine Sensorvorrichtung 20. Jedoch kann auch eine Vielzahl von Sensorvorrichtungen 20 verwendet werden. In einem Ausführungsbeispiel wird sehr nahe an jeder Schaltungskomponente, die empfindlich auf externe Magnetfelder ist (z.B. sehr nahe an jedem Stromwandler), eine Sensorvorrichtung zur Messung des Magnetfeldes platziert. Abhängig von den anwendbaren Rechtsvorschriften werden in Geräten zur Elektrizitätszählung Anti-Manipulationsfunktionen benötigt.
Wie erwähnt muss die Mikrocontroller-Einheit 19 den Ausgang der Sensorvorrichtung(en) 20 kontinuierlich oder regelmäßig unabhängig davon auslesen, ob ein störendes externes Magnetfeld vorhanden ist oder nicht. Aus diesem Grund verbietet es sich, die Mikrocontroller-Einheit 10 in einen Ruhemodus (sleep mode) oder Stromsparmodus (power-saving mode) zu versetzen, was einen vergleichsweise hohen Stromverbrauch des Elektrizitätszählers zur Folge hat. Es kann jedoch wünschenswert sein, dass ein Elektrizitätszähler auch in Abwesenheit einer internen Stromversorgung zumindest für eine bestimmte Zeit den Betrieb fortsetzen kann. In diesem Fall muss die die Energie zum Betrieb des Zählers von einer eingebauten Batterie oder einem Kondensator bereitgestellt werden, und jede zusätzliche Last kann die Batterielebensdauer verkürzen, während der der Zähler autonom ohne seine Stromversorgung arbeiten kann. Ein weiteres Problem besteht darin, dass viele Sensorvorrichtungen 20 nötig sein können, um einen ausreichenden Schutz verschiedener auf Magnetfelder empfindlicher Komponenten sicherzustellen, was den Elektrizitätszähler sogar noch komplexer macht und seinen Stromverbrauch weiter erhöht.
3 illustriert eine 3D-Sensorvorrichtung 20 zum Messen von Magnetfeldern in drei verschiedenen Raumrichtungen. Die Vorrichtung 20 umfasst einen 3D Magnetfeldsensor 202, der aus drei separaten Sensorelementen aufgebaut sein kann, die so angeordnet sind, dass deren empfindliche Achsen zueinander orthogonal sind. Das heißt, die empfindlichen Achsen der drei Sensorelemente definieren ein Kartesisches Koordinatensystem. Die Sensorelemente können Hall-Sensorelemente (Hall-Plättchen) oder alternativ magnetoresistive Sensorelemente wie z.B. AMR-, GMR-, CMR- oder TMR- Sensorelemente umfassen. Die Sensorvorrichtung 20 umfasst zumindest einen Analog-Digital-Wandler 205 zum Digitalisieren der Sensorausgangssignale H_x, H_y, H_z, die die Magnetfeldstärke in den jeweiligen Raumrichtungen (d.h. in der x-, y- und z-Richtung eines Kartesischen Koordinatensystems) repräsentieren. Die digitalisierten Signale werden einer Kommunikationsschnittstelle 201 zugeführt und können an die externen Steuereinheit 10, beispielsweise über eine serielle Datenleitung 12 gemäß dem standardisierten SPI, weitergeleitet werden.
Die Sensorvorrichtung 20 umfasst des Weiteren Komparatoren C₁, C₂ und C₃, welche dazu ausgebildet sind, die Sensorausgangssignale H_x, H_y, H_z mit den zugehörigen Schwellenwerten TH_x, TH_y, TH_z zu vergleichen. Die Komparatorausgänge der Komparatoren C₁, C₂ und C₃ zeigen an, ob die Ungleichungen H_x>TH_x, H_y>TH_y und H_z>TH_z wahr oder falsch sind. in anderen Worten, die Komparatorausgänge der Komparatoren Ci, C₂ und C₃ zeigen an, ob die Magnetfeldstärken in den jeweiligen (x-, y- oder z-) Raumrichtungen den zugehörigen Schwellenwert TH_x, TH_y, TH_z übersteigen. Die Komparatorausgänge können mittels einer Kombinationsschaltung 204 (combiner circuit), die im vorliegenden Beispiel ein Oder-Gatter mit drei Eingängen sein kann, kombiniert werden. Das Ausgangssignal des Oder-Gatters 204 ist als WS („smartes“ Aufwachsignal) bezeichnet und repräsentiert das Ergebnis der logischen Operation (H_x>TH_x) oder (H_y>TH_y) oder (H_z>TH_z). Das heißt, der Ausgang des Oder-Gatters 204 zeigt an, ob eines der Sensorsignale den zugehörigen Schwellenwert übersteigt. Es sei angemerkt, dass andere logische Operationen als die Oder-Operation zur Verknüpfung der Komparatorausänge verwendet werden können. Die Kombinationsschaltung kann beispielsweise ein Monoflop aufweisen, welches dazu ausgebildet ist, ein Aufwach-Puls einer definierten Pulslänge zu erzeugen. Des Weiteren kann die Kombinationsschaltung dazu ausgebildet sein, von der Steuereinheit 10 über die Kommunikationsschnittstelle 201 aktiviert und deaktiviert zu werden (um die Ausgabe eines Aufwachsignals zu aktivieren bzw. zu deaktivieren). Des Weiteren können die Schwellenwerte TH_x, TH_y, TH_z, die von den Komparatoren C₁, C₂ bzw. C₃ verwendet werden, von der Steuereinheit 10 über die Kommunikationsschnittstelle 201 gesetzt und modifiziert werden.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das von der Kombinationsschaltung 204 bereitgestellte Ausgangssignal WS der Steuereinheit 10 als smartes Aufwachsignal (smart wake-up signal) zugeführt. Abhängig von der Implementierung der Steuereinheit 10 kann das smarte Aufwachsignal WS als Interrupt-Signal verwendet werden, das einem Interrupt-Controller (IC) der Steuereinheit 10 zugeführt ist. Mikrocontroller, welche die die Fähigkeit haben, mittels eines externen Interrupt-Signals (das smarte Aufwachsignal WS) aus einem Ruhemodus (sleep mode, auch als power-down mode bezeichnet) aufgeweckt zu werden, sind an sich bekannt und werden daher hier nicht weiter erläutert.
4 ist im Wesentlichen gleich wie das vorherige Beispiel aus 3. Jedoch umfasst das Beispiel aus 4 zusätzlich einen Digital-Analog-Wandler 206, der dazu ausgebildet ist, basierend auf digitalen Schwellenwerten korrespondierende analoge Schwellenwerte TH_x, TH_y, TH_z für die Komparatorschaltungen (Komparatoren C₁, C₂ bzw. C₃) zu erzeugen. Die digitalen Schwellenwerte können von der Mikrocontrollereinheit 10 über die Kommunikationsschnittstelle 201 gesetzt werden.
5 illustriert eine exemplarische Anwendung der Sensorvorrichtung aus 3 in einem Elektrizitätszähler, der sehr ähnlich dem vorherigen Beispiel aus 2 ist. Das vorliegende Beispiel ist im Wesentlichen identisch mit dem vorherigen Beispiel aus 2 abgesehen davon, dass eine andere Sensorvorrichtung 20 verwendet wird. Demnach umfasst die Sensorvorrichtung 20 einen 3D-Mangetfeldsensor und ist dazu ausgebildet, wie in 3 dargestellt ein smartes Aufwachsignal WS zu erzeugen. Das smarte Aufwachsignal WS wird einem Interrupt-Controller IC der Steuerschaltung 10 zugeführt. Die Steuereinheit 10 kann für die meiste Zeit in den Ruhemodus versetzt werden (z.B. wenn für eine bestimmte Zeit keine Benutzereingabe detektiert wurde). Beim Vorhandensein eines externen Magnetfelds, das stark genug ist, dass die Magnetfeldstärke in einer Raumrichtung über dem Schwellenwert liegt, wird die Sensorvorrichtung wie oben beschrieben das smarte Aufwachsignal WS erzeugen und ein Aufwach-Ereignis (wake-up event) signalisieren beispielsweise durch Setzen des (binären) Signalpegels des smarten Aufwachsignals auf einen High-Pegel oder einen Low-Pegel (abhängig von der Implementierung). Der Interrupt-Controller IC der Steuereinheit 10 kann ein solches Aufwach-Ereignis beispielsweise durch Detektion eines Pegelübergangs (z.B. eine steigende oder eine fallende Flanke) in dem smarten Aufwachsignal WS detektieren und die Steuereinheit 10 zurück in einen normalen Betriebsmodus versetzen, in dem die Steuereinheit 10 mit der Sensorvorrichtung 20 in konventioneller Weise kommunizieren kann, z.B. unter Verwendung einer seriellen Busleitung 12 entsprechend dem SPI-Standard oder dem I²C-Standard oder unter Verwendung einer anderen geeigneten Kommunikationsschnittstelle. Abgesehen von der Sensorvorrichtung 20 und der Steuereinheit 10 ist 4 identisch mit 2 und es wird auf die entsprechende Beschreibung der 2 Bezug genommen.
6 illustriert eine andere 3D-Sensorvorrichtung 20 zum Messen von Magnetfeldern in drei verschiedenen Raumrichtungen. Der Aufbau der Sensorvorrichtung 20 ist dem vorherigen Beispiel aus 3 sehr ähnlich. Anders als bei der vorherigen Sensorvorrichtung 20 werden jedoch die gemessenen Magnetfeldstärkesignale H_x, H_y und H_z vorverarbeitet, bevor sie den Komparatoren C₁, C₂, ... C_N zugeführt werden. Demnach umfasst die Vorrichtung 20 einen 3D-Magnetfeldsensor 202, der aus drei separaten Sensorelementen aufgebaut sein kann, welche derart angeordnet sind, dass deren empfindliche Achsen orthogonal zueinander sind und mit den (x-, y- und z-) Achsen eines Kartesischen Koordinatensystems zusammenfallen. Der 3D-Magnetfeldsensor 202 kann Hall-Sensorelemente (Hall-Plättchen) oder alternativ magnetoresistive Sensorelemente wie z.B. AMR-, GMR-, CMR- oder TMR-Sensorelemente aufweisen. Die Sensorvorrichtung 20 umfasst zumindest einen Analog-Digital-Wandler 205 zum Digitalisieren der Sensorausgangssignale H_x, H_y und H_z, welche die Magnetfeldstärken in den jeweiligen Raumrichtungen (z.B. x-, y- und z-Richtung eines Kartesischen Koordinatensystems) repräsentieren. Die digitalisierten Signale werden einer Kommunikationsschnittstelle 201 zugeführt und können beispielsweise über eine serielle Datenleitung 12 entsprechend dem standardisierten SPI an eine externe Steuereinheit 10 weitergeleitet werden. Analog zu dem Beispiel aus 4 kann ein Digital-Analog-Wandler dazu verwendet werden, die Schwellenwerte THi, TH₂, ..., TH_N, die von den jeweiligen Komparatoren C₁, C₂, ... C₃ verwendet werden, festzulegen. Die korrespondierenden digitalen Schwellenwerte können von der Mikrocontrollereinheit 10 über die Kommunikationsschnittstelle 201 festgelegt werden.
Wie oben erwähnt werden die Sensorausgangssignale H_x, H_y und H_z einer Vorerarbeitung mittels der Extrapolationseinheit 203 unterzogen, bevor sie den Komparatoren C₁, C₂ und C₃ zugeführt werden. Die Extrapolationseinheit ist dazu ausgebildet, basierend auf einem oder mehreren der drei Sensorausgangssignale H_x, H_y und H_z, ein oder mehrere extrapolierte Signale H(p₁), H(p₂), .. H(p_N) zu berechnen, die das Magnetfeld an einem oder mehreren entsprechenden Positionen p₁, p₂, ..., p_N repräsentieren, die sich von der Position der 3D-Sensorvorrichtung 20 unterscheiden. Die Positionen p₁, p₂, ..., p_N können die Positionen von Vorrichtungen repräsentieren, welche empfindlich auf externe Magnetfelder und folglich ein potenzielles Ziel für Manipulationsversuche sind. Die Positionen pi, p₂, etc. können in der in 5 dargestellten Anwendung beispielsweise die Positionen der Stromwandler CT1, CT2, etc. repräsentieren. Es sei angemerkt, dass die Anzahl N der Positionen größer als drei, was die Anzahl der Sensorausgangssignale H_x, H_y, H_z ist, sein kann. Die Positionen p₁, p₂, ..., p_N können in der Extrapolationseinheit z.B. mittels der Steuereinheit 10 über die Kommunikationsschnittstelle vorprogrammiert sein.
Die extrapolierten Signale H(p₁), H(p₂), ..., H(p_N) werden den jeweiligen Komparatoren C₁, C₂, ..., C_N zugeführt. Die Komparatoren C₁, C₂, ..., C_N sind dazu ausgebildet, die extrapolierten Signale H(p₁), H(p₂), ..., H(p_N) mit den jeweiligen Schwellenwerten TH₁, TH₂, ..., TH_N zu vergleichen. Die Komparatorausgänge der Komparatoren Ci, C₂, ..., C_N zeigen an, ob die Ungleichungen H(p₁)>TH₁, H(p₂) >TH₂, ..., H(p_N) >TH_N wahr oder falsch sind. In anderen Worten: der Komparatorausgang eines jeden der Komparatoren Ci, C₂, ..., C_N zeigt an, ob die Magnetfeldstärke an der jeweiligen Position p₁, p₂, ..., _PN den zugehörigen Schwellenwert TH₁, TH₂, ..., TH_N übersteigt, wobei die Positionen p₁, p₂, ..., p_N die Position von Bauelementen repräsentieren, die empfindlich auf Magnetfelder und folglich ein potentielles Ziel von Manipulationsversuchen sind.
Ähnlich wie in dem vorherigen Beispiel aus 3 können die Komparatorausgänge mittels einer Kombinationsschaltung 204 kombiniert werden, welche im vorliegenden Beispiel eine Oder-Gatter mit N Eingängen ist. Das Ausgangssignal des Oder-Gatters wird als smartes Aufwachsignal WS bezeichnet und repräsentiert das Ergebnis der logischen Operation (H(p₁)>TH₁) oder (H(p₂) >TH₂) oder ... oder (H(p_N) >TH_N). Das heißt, der Ausgang des Oder-Gatters 204 zeigt an, ob eines der extrapolierten Signale, welche die Magnetfelder an den Positionen p₁, p₂, ..., p_N repräsentieren, den jeweiligen Schwellenwert übersteigen. Es sei angemerkt, dass andere Logikoperationen als die Oder-Operation zur Kombination der Komparatorausgänge verwendet werden können. Die Kombinationsschaltung kann beispielsweise ein Monoflop aufweisen, welches dazu ausgebildet ist, ein Aufwach-Puls einer definierten Pulslänge zu erzeugen. Des Weiteren kann die Kombinationsschaltung dazu ausgebildet sein, von der Steuereinheit 10 über die Kommunikationsschnittstelle 201 aktiviert und deaktiviert zu werden (um die Ausgabe eines Aufwachsignals zu aktivieren bzw. zu deaktivieren). Des Weiteren können die Schwellenwerte THi, TH₂, ..., TH_N, die von den Komparatoren C₁, C₂, ..., bzw. C_N verwendet werden, von der Steuereinheit 10 über die Kommunikationsschnittstelle 201 gesetzt und modifiziert werden.
7 illustriert ein weiteres Ausführungsbeispiel des 3D-Sensorvorrichtung. Deren Funktion ist im Wesentlichen die gleiche wie in dem vorherigen Beispiel aus 5. Jedoch ist die Extrapolationseinheit 203 dazu ausgebildet, die digitalisierten Sensorausgangssignale zu empfangen und die für die Erzeugung der extrapolierten Signale H(pi), H(p₂), ..., H(p_N) benötigte Signalverarbeitung vollständig im Digitalbereich durchzuführen. Auch die Komparatoren C₁, C₂, ..., bzw. C_N sind als digitale Komparatoren implementiert. Des Weiteren kann die logische Verknüpfung der Komparatorausgangssignale, welche das Aufwachsignal WS ergibt, digital implementiert werden (z.B. mittels eines dezidierten Micro-Controllers, ein FPGA, etc.). Jedoch sei angemerkt, dass in einer einfacheren Implementierung die Extrapolationseinheit 203 durch eine simple digitale Komparatoreinheit ersetzt werden kann, welche im Wesentlichen dieselbe Funktion erfüllt wie die analogen Komparatoren C₁, C₂, C₃ in dem Beispiel aus 3.
Des Weiteren kann der Analog-Digital-Wandler 205 dazu ausgebildet sein, die Ausgangssignale des Sensorelements 202 zu programmierbaren Zeitpunkten zu digitalisieren. Beispielsweise kann die Steuereinheit 10 (über die Kommunikationsschnittstelle 201) ein Abtastzeitintervall T_SAMP für den Analog-Digital-Wandler 205 einstellen. Das Abtastzeitintervall kann beispielsweise 50 ms sein, wohingegen eine typische Analog-Signalwandlungszeit rund 50µs beträgt (inklusive des Vergleichs mit den Schwellenwerten). Die verbleibenden 49.95 ms der Abtastzeitperiode kann der Analog-Digital-Wandler 205 und auch die Extrapolationseinheit 203 in einem Modus niedriger Leistungsaufnahme sein (low-power mode). Eine Abtastzeitperiode T_SAMP von 50 ms kann kurz genug sein, um DC-Komponenten der Ausgangssignale des Sensorelements 202 zu detektieren. Um jedoch AC-Signalkomponenten von z.B. 50 Hz detektieren zu können, wäre eine kürzere Abtastzeit nötig, z.B. vier Wandlungen innerhalb von 20 ms. Daher kann die Steuereinheit 10 ein komplexeres Zeitsteuerungsschema für den Analog-Digital-Wandler 205 einstellen. Demnach kann alle 50 ms ein einzelnes Sample (für jedes Signal) gewandelt werden und drei weitere Samples können in jeder hundertsten Abtastperiode (d.h. alle 5 Sekunden) gewandelt werden (mit einer Verzögerung von 5 ms) statt in den Modus niedriger Leistungsaufnahme zu wechseln. Wenn gemäß dem erwähnten Zeitsteuerungsschema keine Analog-Digital-Wandlung durchgeführt werden soll, kann der Analog-Digital-Wandler in einen Modus niedriger Leistungsaufnahme wechseln.
Schließlich sei angemerkt, dass die vorliegende Beschreibung sich nicht auf die Anwendung bei der Elektrizitätszählung beschränkt. Die 3D-Magnetfeldsensorvorrichtungen können ganz allgemein in Schaltungen verwendet werden, in denen Magnetfeldmessungen gemacht werden sollen und ein externer Sensor mit einer Steuereinheit kommuniziert, die einen Ruhemodus (sleep-mode) oder einen Modus niedriger Leistungsaufnahme (power-down mode) unterstützen soll. Beispielsweise können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung auch einfach in einer Joystick-Anwendung verwendet werden, in der die Neigung eines Joysticks mittels Magnetfeldsensoren gemessen wird. Der Joystick-Controller kann in einen Modus niedriger Leistungsaufnahme versetzt werden, während der Joystick sich in seiner Standardposition (mittig) befindet, und mit Hilfe des smarten Aufwachsignals WS der Sensorvorrichtung aufgeweckt werden, sobald der Joystick von einem Benutzer geschwenkt wird. Ein anderes Beispiel bezieht sich auf einen Durchflussmesser (flow volume meter device, z.B. ein Wasserzähler), bei dem der Volumenstrom mittels Messung der Anzahl der Umdrehungen eines Rades gemessen wird, das jenes Volumen anzeigt, das das Rad passiert hat. Ein kleiner Magnet ist auf dem Rad angeordnet und eine Winkelposition des Rades wird mittels des 3D-Hallsensors gemessen. Der 3D-Hallsensor generiert ein smartes Aufwachsignal (was ein Aufwach-Ereignis anzeigt) für die Steuereinheit sobald ein eingestellter Schwellenwert durchschritten wird, was anzeigt, dass ein bestimmtes Volumen durchgeflossen ist.
Im Allgemeinen kann die Steuereinheit 10 dazu ausgebildet sein, mit der 3D-Sensorvorrichtung 20 eine Kalibrierung durchzuführen. Eine tatsächliche Implementierung einer elektronischen Messvorrichtung (oder einer anderen Schaltungsanordnung, die die 3D-Sensorvorrichtung verwendet) kann Schrauben zur Fixierung der Leiterplatte (PCB) oder anderen Komponenten aufweisen; Die Schrauben können eine remanente Magnetisierung aufweisen und das jeweilige Magnetfeld sollte kein Aufwach-Ereignis auslösen. Daher kann die Steuereinheit 10 dazu ausgebildet sein, am Ende des Produktionsprozesses in einem Kalibriermodus zu arbeiten, in dem über die Kommunikationsschnittstelle der 3D-Magentfeldsensorvorrichtung von der Steuereinheit 10 digitale Messwerte gelesen werden. Die auf diese Weise erhaltenen digitalen Messwerte einer Kalibriertabelle können ein einer Wertetabelle (lookup table) gespeichert werden. Im Normalbetrieb können später die Schwellenwerte, die von den Komparatoren C₁, C₂, C₃ (siehe z.B. Fig, 4) verwendet werden, basierend auf den in der Kalibriertabelle gespeicherten Daten eingestellt werden.
Obwohl verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung in Bezug auf ein oder mehrere Ausführungsbeispiele dargestellt und beschrieben wurden, können Veränderungen und/oder Modifikationen in den dargestellten Beispielen vorgenommen werden, ohne vom Geist und von der Reichweite der angehängten Ansprüche abzuweichen. Insbesondere hinsichtlich der verschiedenen Funktionen, die von den oben beschriebenen Komponenten oder Strukturen (Baugruppen, Vorrichtungen, Schaltungen, Systemen, usw.) ausgeführt werden, sollen - sofern nicht s anderes angegeben ist - die Bezeichnungen (einschließlich des Bezugs auf ein „Mittel“), die verwendet werden, um solche Komponenten zu beschreiben, auch jeder anderen Komponente oder Struktur entsprechen, die die spezifizierte Funktion der beschriebenen Komponente ausführt (d.h. die funktional gleichwertig ist), auch wenn sie der offenbarten Struktur, die in den hier dargestellten beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung die Funktion ausführt, nicht strukturell gleichwertig ist.
Wenn ein bestimmtes Merkmale der Erfindung lediglich in Bezug auf eine der mehreren Implementierungen beschrieben wurde, können solche Merkmale mit einem oder mehreren anderen Merkmale anderer Implementierungen kombiniert werden, sofern dies für eine beliebige gegebene oder eine bestimmte Anwendung gewünscht oder vorteilhaft ist.

Claims

Elektrizitätszähler mit Anti-Manipulationsfunktion, der aufweist: zumindest eine Vorrichtung, die auf externe Magnetfelder empfindlich ist, die den Betrieb der Vorrichtung stören; eine Steuereinheit (10), die dazu fähig ist, in einem Normalmodus und einem Ruhemodus zu arbeiten; eine 3D-Magnetfeldsensorvorrichtung (20), die dazu ausgebildet ist, die externen Magnetfelder in zumindest einer vorbestimmten Position zu ermitteln und für die Steuereinheit (10) ein Aufwachsignal für die Steuereinheit (10) zu erzeugen, wenn die ermittelten externen Magnetfelder in der zumindest einer vorbestimmten Position einen zugehörigen Schwellenwert übersteigen, wobei die 3D-Magnetfeldsensorvorrichtung (20) eine Kommunikationsschnittstelle (201) aufweist, welche eine digitale Kommunikation mit der Steuereinheit (10) über eine Datenleitung (12) ermöglicht, und wobei die Steuereinheit (10) nach dem Aufwachen aus dem Ruhemodus im Normalmodus von der 3D-Magnetfeldsensorvorrichtung (20) über die Datenleitung (12) gemessene Magnetfeldwerte empfängt.
Elektrizitätszähler gemäß Anspruch 1, wobei die zumindest eine vorbestimmte Position die Position der 3D-Magnetfeldsensorvorrichtung (20) ist und wobei die externen Magnetfelder in drei Raumrichtungen ermittelt werden.
Elektrizitätszähler gemäß Anspruch 1, wobei die zumindest eine vorbestimmte Position die Position der zumindest einen, auf die externen Magnetfelder empfindliche Vorrichtung umfasst.
Elektrizitätszähler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuereinheit (10) weiter dazu ausgebildet ist, in einem Kalibriermodus zu arbeiten, wobei die Steuereinheit (10) dazu ausgebildet ist, im Kalibiermodus digitale Werte von der Kommunikationsschnittstelle der 3D-Magnetfeldsensorvorrichtung (20) zu lesen und die gelesenen Werte in einer Kalibriertabelle zu speichern.
Elektrizitätszähler gemäß Anspruch 4, wobei die Steuereinheit (10) dazu ausgebildet ist, den von der 3D-Magnetfeldsensorvorrichtung (20) verwendeten Schwellenwert basierend auf den digitalen Werten, die in der Kalibriertabelle gespeichert sind, einzustellen.
Elektrizitätszähler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die 3D-Magnetfeldsensorvorrichtung (20) drei Magnetfeldsensorelemente und weiter zumindest einen Analog-Digital-Wandler (205) zum Digitalisieren der Sensorsignale der Magnetfeldsensorelemente aufweist.
Elektrizitätszähler gemäß Anspruch 6, wobei der Analog-Digital-Wandler (205) dazu ausgebildet ist, die Sensorsignale oder davon abgeleitete Signale nach Maßgabe eines Zeitsteuerungs-Schemas zu digitalisieren, und in einen Modus niedriger Leistungsaufnahme versetzt zu werden, wenn nach Maßgabe des Zeitsteuerungs-Schemas keine Analog-Digital-Wandlung durchgeführt werden soll.