RFID協(xié)議一致性測試系統設計

4.RFID協(xié)議一致性測試系統具體設計
在確定了RFID協(xié)議一致性測試系統的總體構架之后，我們可以借助于儀器制造商提供的成熟軟、硬件產(chǎn)品，來(lái)具體設計RFID協(xié)議一致性測試系統的一個(gè)實(shí)例。一個(gè)完整的RFID系統由記錄了識別信息的電子標簽和能夠與標簽之間進(jìn)行數據交換的閱讀器組成，RFID協(xié)議一致性測試也相應的分為兩部分，即標簽的一致性測試和閱讀器的一致性測試。兩者之間既有共性也有差異，以下我們首先介紹共有的硬件層設計，再根據不同的功能實(shí)現來(lái)分別介紹軟件層設計及其余特性。
硬件層設計采用PXI / PXI Express開(kāi)放高速總線(xiàn)為基礎，配合支持該總線(xiàn)標準的模塊化硬件來(lái)實(shí)現RFID協(xié)議一致性測試系統的基礎功能。以模塊化儀器的倡導者之一美國國家儀器為例，可選用的模塊化硬件如下：嵌入式主控制器PXIe-8108，FPGA基帶處理器PXIe-5641R，射頻下變頻器PXI-5600，射頻上變頻器PXI-5610，由此我們可以得到RFID協(xié)議一致性測試系統的一個(gè)具體設計，如圖4-1所示：

圖4-1：RFID協(xié)議一致性測試系統硬件層的具體設計

4.1RFID標簽協(xié)議一致性測試系統的具體實(shí)現
當被測單元為RFID標簽時(shí)，FPGA基帶處理器需要被配置為RFID閱讀器仿真模式，與被測標簽建立通訊，并配合主控制器完成各項測試工作。RFID標簽協(xié)議一致性測試系統的具體功能實(shí)現如圖4-2所示，其中括號中為以EPC UHF Class 1 Gen 2協(xié)議標準為例的具體算法：

圖4-2：RFID標簽協(xié)議一致性測試系統的軟件設計
在軟件的設計中，仍然采用模塊化的層次結構，FPGA層次主要完成符合RFID協(xié)議標準的狀態(tài)機，以及相應的實(shí)時(shí)信號處理功能，在此不再詳述。HOST層次又劃分為多個(gè)功能模塊：硬件控制、物理層測試、協(xié)議層測試和流程管理。
其中，硬件控制模塊實(shí)現對模塊化硬件的控制，包括硬件的配置、觸發(fā)采集等；物理層測試模塊實(shí)現對信號的物理參數測試，包括時(shí)、頻、調制域的各種測量分析；協(xié)議層測試模塊實(shí)現對信號的協(xié)議參數測試，包括數據分析，幀結構分析等。流程管理模塊則與專(zhuān)業(yè)自動(dòng)化測試流程管理軟件（例如TestStand）配合，實(shí)現對RFID協(xié)議一致性測試項目的管理，以及測試報告的生成等。RFID標簽協(xié)議一致性測試軟件的示例如圖4-3所示：

圖4-3：RFID標簽協(xié)議一致性測試軟件界面
在RFID無(wú)線(xiàn)通訊中，標簽的后向散射信號（Backscatter）是較為特殊的，它不同于傳統的ASK或PSK信號，而是兩者的結合，因此對后向散射信號的正確解析，也是RFID標簽協(xié)議一致性測試系統實(shí)現過(guò)程中需要特別關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題。

圖4-4：后向散射信號和傳統ASK、PSK信號的Smith圖
后向散射信號的特性，與RFID標簽的物理實(shí)現有著(zhù)密切的關(guān)聯(lián)。RFID標簽工作時(shí)，由天線(xiàn)收集電磁波，經(jīng)過(guò)內部芯片的處理后，再以特定的方式將電磁波向原發(fā)射方反射，數據的傳遞則依賴(lài)于RFID標簽在兩個(gè)不同的阻抗狀態(tài)之間快速切換，以此產(chǎn)生變化的電磁波反射。通常每個(gè)狀態(tài)的阻抗都同時(shí)具有實(shí)部和虛部，實(shí)部和虛部的分布還會(huì )隨工作頻率的變化而變化，這樣后向散射信號就會(huì )在幅度和相位上都發(fā)生改變，成為ASK和PSK結合的信號。后向散射信號的處理算法是RFID標簽協(xié)議一致性測試的保證，也是更多高級測試，如SRCS等的基礎。對于后向散射信號，可以采用改進(jìn)的PSK解調算法，如圖4-5所示：

圖4-5：后向散射信號的處理

4.2RFID閱讀器協(xié)議一致性測試系統的具體實(shí)現
當被測單元為RFID閱讀器時(shí)，FPGA基帶處理器需要被配置為RFID標簽仿真模式，與被測閱讀器建立通訊。在RFID閱讀器協(xié)議一致性測試系統的具體實(shí)現中，與標簽測試所具有的共性就不再復述，本節中主要專(zhuān)注于RFID閱讀器測試所特有的功能實(shí)現。
RFID閱讀器協(xié)議一致性測試的最大不同在于通訊過(guò)程的主導性，由于絕大多數RFID協(xié)議標準都定義為ITF（Interrogator Talk First），即閱讀器先發(fā)信號模式，在與標簽通訊的過(guò)程中，閱讀器占有主導地位，能夠主動(dòng)的控制通訊的參數和流程。在進(jìn)行RFID閱讀器協(xié)議一致性測試時(shí)，測試系統需要根據接收到的閱讀器指令，來(lái)返回特定的標簽信號，而不可能通過(guò)通訊信號來(lái)直接控制被測閱讀器的狀態(tài)。因此，閱讀器的測試與標簽的測試相比，具有一定的不可預見(jiàn)性，即不能夠保證每一次通訊取得的信號都正好是測試所需的。
這里我們將引入一個(gè)針對RFID閱讀器協(xié)議一致性測試的新功能，即信號的實(shí)時(shí)流盤(pán)。所謂實(shí)時(shí)流盤(pán)技術(shù)是持續的采集通訊過(guò)程中的信號并不間斷的記錄下來(lái)，以供信號分析和測試軟件提取所需的信號片段，如圖4-6所示。實(shí)時(shí)流盤(pán)的關(guān)鍵在于保證信號的不遺漏，這就要求系統能夠支持足夠高的數據傳輸數率，并且擁有足夠大的數據存儲容量。得益于PXI / PXI Express開(kāi)放高速總線(xiàn)的高帶寬，以及基于計算機磁盤(pán)的高密度存儲技術(shù)，實(shí)時(shí)流盤(pán)功能也得以輕松實(shí)現。值得一提的是，在實(shí)時(shí)流盤(pán)軟件的具體設計中，軟件本身的執行效率也是最關(guān)重要的，需要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的優(yōu)化設計。

圖4-6：實(shí)時(shí)流盤(pán)技術(shù)
另一方面，通訊過(guò)程的主導性問(wèn)題還可以通過(guò)在RFID協(xié)議一致性測試系統和被測閱讀器之間增加額外的通訊鏈路的方式來(lái)解決，如串口、USB或局域網(wǎng)。絕大多數閱讀器都提供了以上一種或多種控制接口，在測試過(guò)程中，測試系統可以通過(guò)通訊接口給被測閱讀器發(fā)送控制指令，使之發(fā)射所需的射頻信號并進(jìn)入預期的測試狀態(tài)。但該方案在具體實(shí)現上仍然存在不可忽略的問(wèn)題，即目前的閱讀器所提供的控制接口千差萬(wàn)別，并未形成一個(gè)統一的標準，在RFID協(xié)議一致性測試系統的設計中實(shí)現對每一種閱讀器的控制幾乎是不可能的。幸運的是，為解決該問(wèn)題，目前已有部分的國家和組織開(kāi)始了閱讀器控制接口標準的制訂工作。
RFID閱讀器協(xié)議一致性測試的另一個(gè)不同之處在于，標簽信號的生成。如前所述，真實(shí)的RFID標簽通過(guò)在兩個(gè)不同的阻抗狀態(tài)之間快速切換來(lái)產(chǎn)生后向散射信號。對于測試系統來(lái)說(shuō)，如果希望仿真一個(gè)真實(shí)的通訊過(guò)程，就不能夠直接通過(guò)射頻上變頻器來(lái)給被測閱讀器發(fā)送射頻信號，而是需要通過(guò)某種方式來(lái)產(chǎn)生一個(gè)向散射信號。事實(shí)上，在眾多RFID協(xié)議一致性測試規范中，也定義了阻抗切換模塊來(lái)完成該功能，例如在ISO 18047-6規范中的定義如圖4-7所示：

圖4-7：ISO 18047-6定義的標簽模擬器
在RFID閱讀器協(xié)議一致性測試系統的具體實(shí)現中，我們可以利用FPGA基帶處理器的輸出，直接驅動(dòng)外置的阻抗切換模塊，反射來(lái)自閱讀器的電磁波，仿真一個(gè)真實(shí)RFID標簽的工作。