采用模塊化儀器構(gòu)建RFID測(cè)試系統(tǒng)

摘要： 本文主要介紹如何利用NI的優(yōu)勢(shì)技術(shù)，具體實(shí)現(xiàn)RFID測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)建。

關(guān)鍵詞： RFID測(cè)試；PXI平臺(tái)；板載FPGA

RFID測(cè)試需求及現(xiàn)狀

作為無線通訊的新興領(lǐng)域之一，RFID技術(shù)在具有無線通訊技術(shù)所共有的特性之外，又有著其獨(dú)有的特殊性，其中最為重要的是標(biāo)準(zhǔn)的多樣化。國(guó)際上制定RFID標(biāo)準(zhǔn)的組織比較著名的有三個(gè)：ISO，美國(guó)的EPC global以及日本的Ubiquitous ID Center，目前已定義的RFID標(biāo)準(zhǔn)，包括工作頻率在低頻(120-134kHz)，高頻(13.56MHz)，超高頻(433MHz、860-960MHz、2.45GHz)和特高頻(5.8GHz)頻率范圍內(nèi)，符合不同標(biāo)準(zhǔn)的不同產(chǎn)品，而且不同頻段的RFID標(biāo)簽會(huì)有不同的特性。但無論采用哪種頻率或標(biāo)準(zhǔn)，在產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)過程中都必須解決測(cè)試的問題。

RFID的測(cè)試主要為一致性測(cè)試，射頻測(cè)試是最重要的測(cè)試內(nèi)容，如射頻包絡(luò)測(cè)試、反應(yīng)時(shí)間測(cè)試以及不同調(diào)制參數(shù)和編碼方式下的數(shù)據(jù)讀寫等，以驗(yàn)證RFID標(biāo)簽的射頻性能是否符合標(biāo)準(zhǔn)。芯片設(shè)計(jì)的影響、制造工藝的影響或者為不同類別的產(chǎn)品設(shè)計(jì)不同的天線，都會(huì)導(dǎo)致RFID標(biāo)簽的射頻性能發(fā)生變化，因此在研發(fā)和生產(chǎn)過程中必須對(duì)該產(chǎn)品的射頻性能進(jìn)行測(cè)試，以保證其射頻指標(biāo)符合RFID射頻標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖1  基于HOST的測(cè)試站系統(tǒng)構(gòu)架

對(duì)于RFID，采用傳統(tǒng)儀器難以實(shí)現(xiàn)對(duì)多標(biāo)準(zhǔn)的支持，目前主流的傳統(tǒng)測(cè)試儀器制造商尚未推出類似的綜測(cè)儀。僅有Tektronix推出的RTSA系統(tǒng)能夠以第三方的方式在RFID通訊的過程中捕獲信號(hào)并進(jìn)行物理層測(cè)試，但由于其不具備RFID協(xié)議，不能進(jìn)行協(xié)議層測(cè)試，且仍需要額外的讀寫設(shè)備作為主單元與被測(cè)單元建立通訊。

基于NI技術(shù)的創(chuàng)新

隨著成本的下降和標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)現(xiàn)，RFID技術(shù)的全面推廣和普遍應(yīng)用將是不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。面對(duì)RFID測(cè)試領(lǐng)域的巨大需求以及相關(guān)測(cè)試儀器的匱乏，我們采用NI在測(cè)試領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)技術(shù)，結(jié)合聚星在射頻測(cè)試領(lǐng)域的技術(shù)專長(zhǎng)，成功的構(gòu)建了一套基于模塊化儀器的RFID測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)的推出彌補(bǔ)了RFID測(cè)試領(lǐng)域的空白，對(duì)比于傳統(tǒng)的測(cè)試儀器，無論是在功能還是性能上，該系統(tǒng)均處于業(yè)界領(lǐng)先地位。

首先，該系統(tǒng)具備RFID協(xié)議，能夠主動(dòng)與被測(cè)單元間建立通訊，不再依賴于額外的讀寫設(shè)備；其次，在軟件層實(shí)現(xiàn)了對(duì)RFID多標(biāo)準(zhǔn)的支持，使用同一系統(tǒng)就能夠?qū)Σ煌瑯?biāo)準(zhǔn)的RFID標(biāo)簽進(jìn)行測(cè)試；再次，支持RFID標(biāo)準(zhǔn)中的各種調(diào)制方式、調(diào)制參數(shù)以及編碼方式，能夠?qū)崿F(xiàn)從物理層到協(xié)議層的各種測(cè)試項(xiàng)目；最后，可以擴(kuò)展支持廠家自定義的指令集，從而支持各廠家所生產(chǎn)的不同RFID產(chǎn)品。

基于HOST的第一代RFID測(cè)試站

在目前的應(yīng)用領(lǐng)域，符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的高頻RFID正逐漸取代原來各廠家自行定義的低頻RFID，并成為主流，其中應(yīng)用較廣的標(biāo)準(zhǔn)有ISO14443、ISO15693、ISO18000-3以及EPC C1G1等，俗稱為第一代RFID，我們以HOST為處理核心構(gòu)建了其測(cè)試系統(tǒng)。

圖2  基于HOST的測(cè)試站的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)構(gòu)架

該系統(tǒng)具有非常簡(jiǎn)潔的系統(tǒng)構(gòu)架，采用矢量信號(hào)發(fā)生器(PXI-5671)和矢量信號(hào)分析儀(PXI-5660)作為射頻儀器，并采用嵌入式控制器(PXI-8196)作為指令發(fā)生器和應(yīng)答分析儀。

圖3  基于FPGA的測(cè)試站系統(tǒng)構(gòu)架

測(cè)試過程中由控制器生成指令，并進(jìn)行編碼，之后通過矢量信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行DAC及上變頻，調(diào)制在某一頻率的載波信號(hào)上經(jīng)天線向外發(fā)送，被測(cè)試的電子標(biāo)簽接收此脈沖信號(hào)，卡內(nèi)芯片對(duì)此信號(hào)進(jìn)行解析之后返回應(yīng)答，經(jīng)編碼、調(diào)制后通過卡內(nèi)天線再發(fā)送給測(cè)試系統(tǒng)，接收到的信號(hào)通過矢量信號(hào)分析儀進(jìn)行下變頻及ADC，應(yīng)答信號(hào)在解調(diào)、數(shù)字化之后送至控制器進(jìn)行物理層測(cè)試，同時(shí)經(jīng)過解碼后進(jìn)行協(xié)議層測(cè)試。

軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)中，采用了模塊化的層次結(jié)構(gòu)，使得軟件構(gòu)架也非常的簡(jiǎn)潔。首先將整個(gè)軟件系統(tǒng)劃分為了三個(gè)層次：硬件控制層、物理測(cè)試層以及協(xié)議測(cè)試層。其中，硬件控制層實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊化儀器的控制，包括板載信號(hào)處理以及硬件觸發(fā)采集等；物理測(cè)試層實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)答信號(hào)的物理參數(shù)測(cè)試，包括時(shí)、頻域的各種測(cè)量分析；協(xié)議測(cè)試層實(shí)現(xiàn)指令信號(hào)的生成、編碼，以及應(yīng)答信號(hào)的解碼、協(xié)議分析。在多層次結(jié)構(gòu)的框架下，各層又具體的分為一系列的功能模塊。

圖4  基于FPGA的測(cè)試站系統(tǒng)軟件用戶界面

如同CDMA或者TCP/IP，RFID也是一種協(xié)議，它是系統(tǒng)用來區(qū)分信號(hào)中的數(shù)據(jù)和控制信息的一整套規(guī)則。協(xié)議層之下是被調(diào)制的信息，無線通訊中常見的ASK、FSK、PSK調(diào)制，在RFID協(xié)議中均有采用，RFID協(xié)議將這些經(jīng)調(diào)制的載波打包成標(biāo)簽可以解讀的形式。RFID測(cè)試軟件的一個(gè)核心問題就是對(duì)這些遵循不同標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波、調(diào)制/解調(diào)、編碼/解碼。以工作頻率在13.56MHz 的ISO18000-3為例，其中又包含了兩種子類型，Mode2主要應(yīng)用于日本，Mode1則在全球都有著非常廣泛的應(yīng)用。

在RFID的各標(biāo)準(zhǔn)中，都存在一些較為特殊的定義，如Mode1支持兩種指令編碼，其應(yīng)答信號(hào)是具有副載波二次調(diào)制的ASK；Mode2的指令調(diào)制為