垂直霍尔技术使有效的篡改检测
垂直霍尔技术使有效的篡改检测
Joseph Hollins和Ryan Metivier，
亚博棋牌游戏快板微系统公司有限责任公司
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设备，可以自动收集和传输使用情况。根据导航研究1到2018年，全球每年将出货1.31亿只智能电表。电能盗窃是电网运营商和政府监管机构面临的一个主要问题。智能电表正遭受磁铁攻击，试图欺骗电表读数为零，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
篡改电子仪表的一种方法是使用强磁铁来干扰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。
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）。
为了有效检测篡改，用于检测篡改的磁传感器必须具备以下特性:
- 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呈指数衰减。例如，一个表面磁强为6000g (600mt)的大(50mm × 50mm × 50mm)稀土磁铁，在距离为50mm(厚度的一倍)时，其磁场约为600g (60mt)。图2说明了这种现象。较小的磁铁比较大的磁铁的“接触范围”要小。根据经验法则，表面磁场的大约十分之一将在与磁铁厚度相等的距离处存在。
图2:磁场与离磁极距离(mm) 50mm × 50mm × 50mm N45磁铁
当传感器安装在电表内时，在确定传感器对放置在电表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。
磁传感最流行的传统解决方案是霍尔效应传感器IC。谁在1879年发现，当磁场沿垂直于平板的方向穿过载流导电板时，电压势会在平板上发展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。
要有效地检测X和Y磁场，需要将额外的传感器安装在单独的pcb上，并与主板形成直角，或者安装并可能形成铅传感器，以便霍尔板的方向正确。这两种方法都提高了组件数量和成本、系统复杂性和装配成本。也许可以安装大量的传统平面霍尔传感器，并依靠“边缘”场来激活它们，但这再次提高了系统成本和复杂性。
各种磁阻技术已被用于制造磁传感器集成电路。这些传感器通常具有平面响应，即它们可以检测X-Y平面上的场，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(有限的动态范围)。由于期望的是篡改将试图使用一个大的字段，这是一个重大的限制。
图3：平面霍尔效应传感器
最近在霍尔效应传感方面的一项突破使全方位磁传感器ic的创造能够满足篡改检测的所有要求。目前，集成电路设计和制造的进步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，但构造方法不同:
平面布局:横跨芯片的宽度和长度;只感知Z维而不考虑方向
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为竖向霍尔板的施工细部。两个垂直霍尔传感器与一个平面霍尔传感器结合在一个集成电路中，形成一个磁传感器，可以感知任意方向(X、Y和Z)的磁场，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ic，需要高达56毫米2PCB的区域。Allegro MicroSystems有限责任公司最近推出的A126亚博棋牌游戏6就是这种设备的一个例子(见图5)，它采用小型表面安装SOT-23W封装，只需要9毫米2PCB。A1266也具有非常高的灵敏度（操作点，Bop.)，以便侦测到大面积或大面积的篡改企图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具有理想的篡改检测的三维全极响应
表1:磁传感器芯片可用技术的比较
| 技术 | 极性 | 方向性 (最高灵敏度) |
笔记 |
|---|---|---|---|
| 平面厅 | Omnipolar | Z只 | 最受欢迎的遗产方法 |
| 垂直大厅 | Omnipolar | x，y或其他面内方向 | 磁敏感芯片的前沿技术 |
| 磁阻（MR） | Omnipolar | x - y平面 | 可以在高场反转吗 |
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:假设的仪表尺寸和传感器气隙
图7:磁体方向(s极至仪表端面)
图8:机器人绘图站
图9显示了使用常规平面霍尔传感器检测磁场时映射这个假设的仪表的结果，该传感器在Z维具有最高的灵敏度。蓝色的区域是磁铁位置的区域，在那里被测试的传感器能够检测到磁铁的存在。当磁铁在传感器的正上方时，很容易检测到它。随着磁体在X-Y平面上移动，气隙增大，磁场方向可能不再沿着灵敏度最高的轴(Z)方向。但是，传感器能够在大约148 mm × 148 mm的区域内检测到磁体。
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。蓝色的区域是磁铁位置的区域，在那里被测试的传感器能够检测到磁铁的存在。当磁铁在传感器的正上方时，很容易检测到它。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，多个传感器都可以用于覆盖更大的区域或体积。然而，3D传感器将需要更少的实例来覆盖更大的区域/体积。在所示的例子中，该磁体处于理想的方向，以检测传统的平面霍尔(1D)传感器。图9所示的性能可能会降低的情况下，磁铁是应用在其他方向或侧面的仪表。
这突出了3D传感器的另一个优点，即它能够检测随机施加在仪表外部的磁场。在小型电表的情况下，例如一个典型的单相家用电表，一个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，Allegro MicroSystems LLC的A1266等设备能够检测大面积/体积的磁篡改，几乎不需要考虑磁体的方向。亚博棋牌游戏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。
图9一维平面霍尔效应传感器篡改覆盖率(43%)(蓝色表示检测区域)
图10:3D霍尔效应传感器篡改覆盖率(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 | 机构/标准 | 链接 |
|---|---|---|
| 中国 | CEPRI | www.cepri.com.cn |
| 百合 | www.narigroup.com |
|
| SGCC. | www.sgcc.com.cn/ywlm/index.shtml |
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| 德国 | 喧嚣 | www.din.de en |
| VDE /模糊神经网络 | www.vde.com/en/pages/homepage.aspx. |
|
| 印度 | 行业标准局 | www.bis.org.in |
| 中央电力管理局 | www.cea.nic.in/regulations.html. |
|
| IEEE(印度) | smartgrid.ieee.org/yaboAPP亚博resources/public-policy/india. |
|
| 部门的权力 | indiasmartgrid.org/en/technology/Pages/Advanced-Metering-Infrastructure.aspx |
|
| 多个 | IEEE - SmartGrids. | smartgrid.ieee.org |
| IEC | www.iec.ch你可以 |
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| '联盟 | www.prime-alliance.org/?p=68. |
|
| 美国 | ANSI | www.ansi.org. |
| 尼玛 | www.nema.org |
参考
1全球智能电表出货量将在2018年达到1.31亿的峰值，2013年7月11日，Navigant Research (https://www.navigantresearch.com/newsroom/global- amart-meter-unit-hashments-will-peakinaly-in-218.）
2全球因电力盗窃每年损失893亿美元，新兴市场损失587亿美元，2014年12月9日，美通社www.prnewswire.com/news releases/world失去- 8930亿每年-电-盗窃- - 5870亿- 300006515. -新兴市场html)，来源:东北集团有限责任公司(www.northeast-group.com）
3.美国联邦调查局:智能电表黑客攻击可能蔓延，2012年4月9日http://krebsonsecurity.com/2012/04/fbi-smart-meter-hacks-likely-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 Ultrasensitive 3D Hall-Effect Switch datasheet(数亚博棋牌游戏据表)2 page - Allegro MicroSystems, LLC//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。