采用模塊化儀器構建RFID測試系統

摘要： 本文主要介紹如何利用NI的優(yōu)勢技術(shù)，具體實(shí)現RFID測試系統的構建。

關(guān)鍵詞： RFID測試；PXI平臺；板載FPGA

RFID測試需求及現狀

作為無(wú)線(xiàn)通訊的新興領(lǐng)域之一，RFID技術(shù)在具有無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)所共有的特性之外，又有著(zhù)其獨有的特殊性，其中最為重要的是標準的多樣化。國際上制定RFID標準的組織比較著(zhù)名的有三個(gè)：ISO，美國的EPC global以及日本的Ubiquitous ID Center，目前已定義的RFID標準，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，符合不同標準的不同產(chǎn)品，而且不同頻段的RFID標簽會(huì )有不同的特性。但無(wú)論采用哪種頻率或標準，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)過(guò)程中都必須解決測試的問(wèn)題。

RFID的測試主要為一致性測試，射頻測試是最重要的測試內容，如射頻包絡(luò )測試、反應時(shí)間測試以及不同調制參數和編碼方式下的數據讀寫(xiě)等，以驗證RFID標簽的射頻性能是否符合標準。芯片設計的影響、制造工藝的影響或者為不同類(lèi)別的產(chǎn)品設計不同的天線(xiàn)，都會(huì )導致RFID標簽的射頻性能發(fā)生變化，因此在研發(fā)和生產(chǎn)過(guò)程中必須對該產(chǎn)品的射頻性能進(jìn)行測試，以保證其射頻指標符合RFID射頻標準的要求。

圖1  基于HOST的測試站系統構架

對于RFID，采用傳統儀器難以實(shí)現對多標準的支持，目前主流的傳統測試儀器制造商尚未推出類(lèi)似的綜測儀。僅有Tektronix推出的RTSA系統能夠以第三方的方式在RFID通訊的過(guò)程中捕獲信號并進(jìn)行物理層測試，但由于其不具備RFID協(xié)議，不能進(jìn)行協(xié)議層測試，且仍需要額外的讀寫(xiě)設備作為主單元與被測單元建立通訊。

基于NI技術(shù)的創(chuàng )新

隨著(zhù)成本的下降和標準化的實(shí)現，RFID技術(shù)的全面推廣和普遍應用將是不可逆轉的趨勢。面對RFID測試領(lǐng)域的巨大需求以及相關(guān)測試儀器的匱乏，我們采用NI在測試領(lǐng)域的優(yōu)勢技術(shù)，結合聚星在射頻測試領(lǐng)域的技術(shù)專(zhuān)長(cháng)，成功的構建了一套基于模塊化儀器的RFID測試系統。該系統的推出彌補了RFID測試領(lǐng)域的空白，對比于傳統的測試儀器，無(wú)論是在功能還是性能上，該系統均處于業(yè)界領(lǐng)先地位。

首先，該系統具備RFID協(xié)議，能夠主動(dòng)與被測單元間建立通訊，不再依賴(lài)于額外的讀寫(xiě)設備；其次，在軟件層實(shí)現了對RFID多標準的支持，使用同一系統就能夠對不同標準的RFID標簽進(jìn)行測試；再次，支持RFID標準中的各種調制方式、調制參數以及編碼方式，能夠實(shí)現從物理層到協(xié)議層的各種測試項目；最后，可以擴展支持廠(chǎng)家自定義的指令集，從而支持各廠(chǎng)家所生產(chǎn)的不同RFID產(chǎn)品。

基于HOST的第一代RFID測試站

在目前的應用領(lǐng)域，符合國際標準的高頻RFID正逐漸取代原來(lái)各廠(chǎng)家自行定義的低頻RFID，并成為主流，其中應用較廣的標準有ISO14443、ISO15693、ISO18000-3以及EPC C1G1等，俗稱(chēng)為第一代RFID，我們以HOST為處理核心構建了其測試系統。

圖2  基于HOST的測試站的軟件設計

系統構架

該系統具有非常簡(jiǎn)潔的系統構架，采用矢量信號發(fā)生器(PXI-5671)和矢量信號分析儀(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)生器和應答分析儀。

圖3  基于FPGA的測試站系統構架

測試過(guò)程中由控制器生成指令，并進(jìn)行編碼，之后通過(guò)矢量信號發(fā)生器進(jìn)行DAC及上變頻，調制在某一頻率的載波信號上經(jīng)天線(xiàn)向外發(fā)送，被測試的電子標簽接收此脈沖信號，卡內芯片對此信號進(jìn)行解析之后返回應答，經(jīng)編碼、調制后通過(guò)卡內天線(xiàn)再發(fā)送給測試系統，接收到的信號通過(guò)矢量信號分析儀進(jìn)行下變頻及ADC，應答信號在解調、數字化之后送至控制器進(jìn)行物理層測試，同時(shí)經(jīng)過(guò)解碼后進(jìn)行協(xié)議層測試。

軟件設計

在軟件設計中，采用了模塊化的層次結構，使得軟件構架也非常的簡(jiǎn)潔。首先將整個(gè)軟件系統劃分為了三個(gè)層次：硬件控制層、物理測試層以及協(xié)議測試層。其中，硬件控制層實(shí)現對模塊化儀器的控制，包括板載信號處理以及硬件觸發(fā)采集等；物理測試層實(shí)現對應答信號的物理參數測試，包括時(shí)、頻域的各種測量分析；協(xié)議測試層實(shí)現指令信號的生成、編碼，以及應答信號的解碼、協(xié)議分析。在多層次結構的框架下，各層又具體的分為一系列的功能模塊。

圖4  基于FPGA的測試站系統軟件用戶(hù)界面

如同CDMA或者TCP/IP，RFID也是一種協(xié)議，它是系統用來(lái)區分信號中的數據和控制信息的一整套規則。協(xié)議層之下是被調制的信息，無(wú)線(xiàn)通訊中常見(jiàn)的ASK、FSK、PSK調制，在RFID協(xié)議中均有采用，RFID協(xié)議將這些經(jīng)調制的載波打包成標簽可以解讀的形式。RFID測試軟件的一個(gè)核心問(wèn)題就是對這些遵循不同標準的信號進(jìn)行數字濾波、調制/解調、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(lèi)型，Mode2主要應用于日本，Mode1則在全球都有著(zhù)非常廣泛的應用。

在RFID的各標準中，都存在一些較為特殊的定義，如Mode1支持兩種指令編碼，其應答信號是具有副載波二次調制的ASK；Mode2的指令調制為