垂直霍尔技术可以实现有效的篡改检测

Joseph Hollins和Ryan Metivier，
亚博棋牌游戏Allegro MicroSystems，LLC

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。

All over the globe, smart meters are being deployed to make energy usage reporting and monitoring more efficient and accurate. Many water meters, gas meters, and electricity meters contain smart electronics that allow the automated electronic collection and transmission of usage. According to Navigant 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

One method employed in tampering with electronic meters is using strong magnets to disrupt the meter’s ability to detect power consumption³。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。

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）。

To be effective, a magnetic sensor used to detect tampering must have the following features:

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。

In general terms, the field strength of a magnet decays exponentially as it is moved further away from the magnet. As an example, a large (50 mm × 50 mm × 50 mm) rare-earth magnet with a surface magnetic strength of 6000 G (600 mT) will have a magnetic field of approximately 600 G (60 mT) when measured 50 mm away (one times the thickness). Figure 2 illustrates this phenomenon. A smaller magnet will have less “reach” than a larger magnet. As a rule of thumb, approximately 1/10th of the magnet field at the surface will be present at a distance equivalent to the thickness of the magnet.

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。

最受欢迎的传统解决方案for magnetic sensing has been the Hall-effect sensor IC. These ICs detect magnetic fields using the Hall effect, named after Edwin Hall, who in 1879 discovered that a voltage potential develops across a current-carrying conductive plate when a magnetic field passes through the plate in a direction perpendicular to the plane of the plate⁴。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。

Effectively sensing X and Y fields would require additional sensors mounted on separate PCBs at right angles to each other and to the motherboard or leaded sensors installed and possibly lead-formed such that the Hall plates are oriented correctly. Both of the approaches drive up component count and cost, system complexity, and assembly cost. It may be possible to install a large number of traditional planar Hall sensors and rely on “fringe” fields to activate them, but, again, this drives up system cost and complexity.

Various magnetoresistive technologies have been used to create magnetic sensor ICs. These sensors usually have a planar response, i.e., they may detect fields in the X-Y plane but have limited response to Z fields. In addition, very high fields can actually cause the sensor to saturate and malfunction (limited dynamic range). Since the expectation is that tampering will be attempted using a large field, this is a significant limitation.

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：

Planar: Laid out across the width and length of the chip; will only sense Z dimension regardless of orientation

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

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²of PCB area. The recently introduced A1266 from Allegro MicroSystems, LLC is an example of such a device (See Figure 5) in a small, surface-mount SOT-23W package requiring just 9 mm²PCB。A1266也具有非常高的灵敏度（操作点，B_op.）因此它可以检测到大面积或容量的篡改尝试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 (Highest Sensitivity)	笔记
平面厅	万能	Z only	最受欢迎的遗产方法
垂直大厅	万能	x，y或其他面内方向	磁敏敏IC的前沿技术
磁阻（MR）	万能	X-Y plane	May invert at high field

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）。

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

Figure 7: Magnet Orientation (S-pole to face of meter)

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）。

In either case, multiple sensors can be used to cover larger areas or volumes. However, fewer instances of the 3D sensor will be needed to cover a large area/volume. In the example shown, the magnet was in the ideal orientation for detection by a conventional planar Hall (1D) sensor. The performance indicated by Figure 9 may degrade in cases where the magnet is applied in other orientations or to the sides of the meter.

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。亚博棋牌游戏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。

Figure 9: Tamper coverage (43%) with 1D planar Hall-effect sensor (blue denotes detection region)

Figure 10: Tamper coverage (92%) with 3D Hall-effect sensor (blue denotes detection region)

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	Link
中国	CEPRI.	www.cepri.com.cn
	纳里	www.narigroup.com.
	SGCC.	www.sgcc.com.cn/ywlm/index.shtml
德国	DIN	www.din.de/en
德国	VDE/FNN	www.vde.com/en/pages/homepage.aspx.
印度	Bureau of Industry Standards	www.bis.org.in.
	中央电力管理局	www.cea.nic.in/regulations.html.
	IEEE（印度）	smartgrid.ieee.org/yaboAPP亚博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.
U.S.A.	ANSI.	www.ansi.org.
U.S.A.	尼玛	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-billion-to-electricity-theft-annually-587-billion-in-emerging-markets-300006515.html），来源：东北组，LLC（www.northeast-group.com.)

³FBI: Smart Meter Hacks Likely to Spread, April 9, 2012, Krebs on Security (http://krebsonsecurity.com/2012/04/fbi-smart-meter-hacks-likely-to-to-spread/)

⁴Allegro Hall效应传感器IC，Shaun Milano，Allegro Micro亚博棋牌游戏systems，LLC（//www.wangzuanquan.com/en/Insights-and-innovations/technical-documents/hall- effect-sensor-ic-publications/allegro-hall-hall-yefcect- sensocigs.)

⁵A1266 MicroPower超敏3D霍尔效应开关数据表，Allegro Microsystems，LLC（亚博棋牌游戏//www.wangzuanquan.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。