采用軟件定義無(wú)線電開(kāi)發(fā)RFID測(cè)試平臺(tái)

　　"FPGA的優(yōu)勢(shì)加上實(shí)時(shí)信號(hào)處理功能，有助于提高測(cè)試速度。 同時(shí)，F(xiàn)PGA編程的靈活性可以快速響應(yīng)新協(xié)議的測(cè)試需求。"- Chun Zhang, InsTItute of Microelectronics, Tsinghua University

　　挑戰(zhàn):

　　錯(cuò)綜復(fù)雜的UHF技術(shù)(包含各種標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議)與RF參數(shù)測(cè)量，造成RFID產(chǎn)品彼此不兼容，同時(shí)帶來(lái)了巨大的測(cè)試挑戰(zhàn)。

　　解決方案:

　　使用虛擬儀器技術(shù)，搭配數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，最后以NI的軟件定義無(wú)線電(SDR)為基礎(chǔ)，打造出通用的多重協(xié)議UHF RFID測(cè)試平臺(tái)。 此平臺(tái)適用于所有RFID標(biāo)準(zhǔn)的即時(shí)測(cè)試作業(yè)，同時(shí)支持新協(xié)議的自定義功能。

　　射頻識(shí)別(RFID)是一項(xiàng)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，許多主要的生產(chǎn)廠商與標(biāo)準(zhǔn)化組織也都陸續(xù)針對(duì)超高頻(UHF)頻帶推出各式各樣的標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議。 但因?yàn)閁HF技術(shù)相當(dāng)復(fù)雜，所以還是有很多問(wèn)題，例如讓人眼花繚亂的標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議，以及錯(cuò)綜復(fù)雜的RF參數(shù)測(cè)量。 這些問(wèn)題會(huì)造成RFID產(chǎn)品彼此不兼容，同時(shí)支持新協(xié)議的自定義功能。 因此必須搭建兼容所有標(biāo)準(zhǔn)的通用測(cè)試平臺(tái)，替RFID生產(chǎn)商降低測(cè)試成本。

　　RFID系統(tǒng)的運(yùn)作原理

　　完整的RFID系統(tǒng)包含RW、標(biāo)簽與其它外圍模塊。 用于標(biāo)簽的RW辨識(shí)結(jié)果會(huì)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與電腦分享，并且儲(chǔ)存在資料庫(kù)中以便查詢(xún)。

　　圖1為RFID系統(tǒng)的運(yùn)作原理。系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)，RW會(huì)在特定頻率的載波上針對(duì)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)加以編碼與調(diào)制，接著通過(guò)天線傳送，產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng)。 至于較遠(yuǎn)距離的通信，則是主要把背向散射用于UHF，進(jìn)而在RW與標(biāo)簽之間傳輸能源。

圖1. 標(biāo)準(zhǔn)RFID系統(tǒng)的運(yùn)作原理

　　一旦標(biāo)簽進(jìn)入RW的電磁場(chǎng)范圍，其電路就會(huì)解調(diào)來(lái)自RW的指令信號(hào)、解碼指令數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、按照控制器的指示來(lái)啟動(dòng)傳輸電路，并且將特定的回應(yīng)資料編碼至前饋載波，而前饋載波又會(huì)背向散射至RW。 RW會(huì)通過(guò)接受天線采集反應(yīng)信號(hào)，把信號(hào)提供給接收端的處理元件加以解調(diào)與解碼，接著檢查數(shù)據(jù)并執(zhí)行磁場(chǎng)長(zhǎng)度分析。 最后標(biāo)簽信息會(huì)傳送到上端電腦的數(shù)據(jù)庫(kù)，儲(chǔ)存起來(lái)以便日后查詢(xún)。

　　實(shí)驗(yàn)原理

　　隨著通信速度與數(shù)據(jù)讀取速度等RFID需求持續(xù)增加，RFID系統(tǒng)內(nèi)標(biāo)簽與讀取器之間的通信時(shí)序規(guī)格也達(dá)到了厘米單位。 各式各樣的RFID協(xié)議造成了相關(guān)調(diào)變/解調(diào)參數(shù)、編碼/解碼方法、反沖擊演算法、指令與相應(yīng)框架架構(gòu)、指示集之間的歧義。 采用傳統(tǒng)儀器構(gòu)建的測(cè)試系統(tǒng)會(huì)需要即時(shí)頻率頻譜分析儀、矢量信號(hào)發(fā)生器、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與其他元件，才能產(chǎn)生激發(fā)矢量以便進(jìn)行測(cè)試。 此外還需建立待測(cè)元件(UUT)的通信通道，同時(shí)在RFID系統(tǒng)內(nèi)采集這些元件的反射信號(hào)。 這項(xiàng)電流測(cè)試系統(tǒng)可以根據(jù)RFID協(xié)議中一部分的物理參數(shù)，完成相關(guān)的測(cè)試與分析作業(yè)。 然而，此系統(tǒng)無(wú)法提供可滿(mǎn)足協(xié)議需求的時(shí)序，也無(wú)法執(zhí)行符合協(xié)議需求的測(cè)試，更不能支持多重協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

　　SDR架構(gòu)的測(cè)試系統(tǒng)可讓用戶(hù)輕松設(shè)定自己的測(cè)試系統(tǒng)，以便滿(mǎn)足不斷變化的測(cè)試需求，還能提供更好操作的人機(jī)界面(HMI)。 由于虛擬儀器的靈活性與擴(kuò)展性能非常優(yōu)異，所以該系統(tǒng)可以滿(mǎn)足各種應(yīng)用的升級(jí)需求， 不必大幅更換硬件。 這樣一來(lái)系統(tǒng)本身即可處理多種新興的通信協(xié)議，可說(shuō)是RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最佳選擇。

　　RFID測(cè)試系統(tǒng)的硬件平臺(tái)

　　這款測(cè)試系統(tǒng)采用了NI的模塊化設(shè)備。 NI PXIe-5641R RIO IF收發(fā)器加上NI PXI-5610信號(hào)發(fā)生器，組成了RF信號(hào)傳輸器，可以把基頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為RF信號(hào)(圖2)。 嵌入式控制器能夠協(xié)調(diào)不同的模板，還有一些非即時(shí)的事件操作項(xiàng)目。 機(jī)箱背板上的PXI總線則可在不同的板卡之間高速傳輸數(shù)據(jù)。

圖2. 硬件組件說(shuō)明

圖3. 測(cè)試系統(tǒng)的硬件連接方式

　　這款測(cè)試系統(tǒng)的主要功能之一，就是把通用的FPGA當(dāng)做基頻處理器，取代傳統(tǒng)系統(tǒng)內(nèi)的矢量信號(hào)發(fā)生器與矢量信號(hào)分析儀。 FPGA的優(yōu)勢(shì)加上實(shí)時(shí)信號(hào)處理功能，有助于提高測(cè)試速度。 同時(shí)，F(xiàn)PGA編程的靈活性可以快速響應(yīng)新協(xié)議的測(cè)試需求。

圖4. 采用虛擬儀器的RFID系統(tǒng)構(gòu)架

　　如圖4所示，控制器與FPGA之間的界面主要用來(lái)執(zhí)行響應(yīng)、指令與某些協(xié)議參數(shù)。 FPGA的主要功用則是建立信號(hào)、分析信號(hào)的即時(shí)接受與反饋，其中包含實(shí)體的收發(fā)器通道。 RF板卡可提供待測(cè)標(biāo)簽給RF界面，同時(shí)提供IF收發(fā)器給IF信號(hào)界面。

　　系統(tǒng)功能的層級(jí)分布

　　測(cè)試系統(tǒng)分為兩個(gè)層級(jí)： FPGA平臺(tái)與主機(jī)平臺(tái)(如圖表所示)。 主機(jī)電腦平臺(tái)負(fù)責(zé)控制硬件、管理測(cè)試流程、處理非即時(shí)信號(hào)與使用界面。 FPGA平臺(tái)則是包含了實(shí)體的傳輸與接收路線，以及銜接主機(jī)電腦的界面。

圖5. 軟件架構(gòu)與數(shù)據(jù)流

　　如果想要設(shè)計(jì)主機(jī)平臺(tái)，必須考慮到不同模塊與用戶(hù)界面操作功能之間的協(xié)調(diào)性。 為了滿(mǎn)足各式各樣的標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議項(xiàng)目，測(cè)試系統(tǒng)會(huì)讀取特定的數(shù)據(jù)檔案，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)所有類(lèi)型的協(xié)議指令。 只要修改指令文檔的數(shù)據(jù)，用戶(hù)就能自定義協(xié)議內(nèi)容。

　　圖6為該測(cè)試系統(tǒng)的用戶(hù)界面。測(cè)試系統(tǒng)的所有功能與分析結(jié)果都會(huì)直接顯示在這個(gè)界面上。

圖6. 用戶(hù)界面

　　該系統(tǒng)可以測(cè)試自定義協(xié)議與18000-6C協(xié)議，還可以設(shè)定所有的參數(shù)。 圖7為FPGA平臺(tái)架構(gòu)。

圖7. FPGA平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖

　　測(cè)試結(jié)果

　　標(biāo)簽協(xié)議的一致性測(cè)試還可以進(jìn)一步分成單一標(biāo)簽測(cè)試、多標(biāo)簽測(cè)試與RF參數(shù)測(cè)試。 單一標(biāo)簽測(cè)試主要用來(lái)檢驗(yàn)標(biāo)簽的RW操作，以及不同標(biāo)簽狀態(tài)的切換是否正確。 多標(biāo)簽測(cè)試則可檢驗(yàn)協(xié)議的反沖撞演算法，以及多重標(biāo)簽的識(shí)別效率。

　　所有的測(cè)試結(jié)果都指出，該測(cè)試系統(tǒng)的一般運(yùn)作狀況良好，每一項(xiàng)功能指數(shù)都能夠符合需求。 此系統(tǒng)可針對(duì)ISO18000-6C與多種自定義協(xié)議執(zhí)行一致性測(cè)試與物理參數(shù)測(cè)試。 測(cè)試距離最遠(yuǎn)可達(dá)3米，傳輸功率為20dBm，接收分辨率則是-10dBm。