采用NI模塊化儀器構(gòu)建業(yè)界領(lǐng)先的RFID測試系統(tǒng)

摘要：在NI模塊化儀器結(jié)合虛擬儀器的構(gòu)架上，我們在較短的時間內(nèi)成功研制出了全球第一臺擁有微秒級實時應(yīng)答能力，且能進(jìn)行完整的物理層及協(xié)議層測試的RFID測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)的推出彌補了RFID測試領(lǐng)域的空白，對比于傳統(tǒng)的測試儀器，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，目前已成功應(yīng)用于全球范圍內(nèi)的多家RFID領(lǐng)域的領(lǐng)先企業(yè)，如TI等。本文主要介紹如何利用NI的優(yōu)勢技術(shù)，具體實現(xiàn)RFID測試系統(tǒng)的構(gòu)建。

正文：

RFID技術(shù)及其測試

RFID技術(shù)簡介

RFID是Radio Frequency Identification的縮寫，即射頻識別，俗稱電子標(biāo)簽。RFID技術(shù)是從二十世紀(jì)90年代興起的一項非接觸式自動識別技術(shù)。它是利用射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，以達(dá)到自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，具有精度高、適應(yīng)環(huán)境能力強、抗干擾強、操作快捷等許多優(yōu)點。近年來，RFID技術(shù)在國內(nèi)外發(fā)展很快，產(chǎn)品種類很多，像TI、Motorola、Philips、Microchip等世界著名廠商都生產(chǎn)RFID產(chǎn)品，并且各有特點，自成系列。RFID已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、交通運輸控制管理等眾多領(lǐng)域，例如門禁系統(tǒng)、智能公交卡、商品物流管理以及第二代身份證等。

RFID測試需求及現(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，又有著其獨有的特殊性，其中最為重要的是標(biāo)準(zhǔn)的多樣化。國際上制定RFID標(biāo)準(zhǔn)的組織比較著名的有三個：ISO，美國的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試的問題。

RFID的測試主要為一致性測試，射頻測試是最重要的測試內(nèi)容，如射頻包絡(luò)測試、反應(yīng)時間測試以及不同調(diào)制參數(shù)和編碼方式下的數(shù)據(jù)讀寫等，以驗證RFID標(biāo)簽的射頻性能是否符合標(biāo)準(zhǔn)。芯片設(shè)計的影響、制造工藝的影響或者為不同類別的產(chǎn)品設(shè)計不同的天線，都會導(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)過程中必須對該產(chǎn)品的射頻性能進(jìn)行測試，以保證其射頻指標(biāo)符合RFID射頻標(biāo)準(zhǔn)的要求。

對于單一標(biāo)準(zhǔn)的通訊系統(tǒng)，如藍(lán)牙，傳統(tǒng)測試儀器制造商已能夠為其提供綜測儀。藍(lán)牙測試系統(tǒng)配置包括一臺測試儀和被測設(shè)備，其中測試儀作為主單元，被測設(shè)備作為從單元。兩者之間通過射頻電纜相連或通過天線經(jīng)空中傳輸相連，在建立通訊鏈路的基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置及測試。

 對于RFID，采用傳統(tǒng)儀器難以實現(xiàn)對多標(biāo)準(zhǔn)的支持，目前主流的傳統(tǒng)測試儀器制造商尚未推出類似的綜測儀。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設(shè)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

隨著成本的下降和標(biāo)準(zhǔn)化的實現(xiàn)，RFID技術(shù)的全面推廣和普遍應(yīng)用將是不可逆轉(zhuǎn)的趁勢。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(jié)合聚星在射頻測試領(lǐng)域的技術(shù)專長，成功的構(gòu)建了一套基于模塊化儀器的RFID測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)的推出彌補了RFID測試領(lǐng)域的空白，對比于傳統(tǒng)的測試儀器，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，能夠主動與被測單元間建立通訊，不再依賴于額外的讀寫設(shè)備；其次，在軟件層實現(xiàn)了對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)議層的各種測試項目；最后，可以擴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。
 另一方面，隨著RFID產(chǎn)品產(chǎn)量的不斷增大，測試時間將會成為制造過程中影響成本的一個重要因素，這就要求測試系統(tǒng)能夠在非常短的時間內(nèi)完成各種測試。基于模塊化儀器的測試系統(tǒng)，以其高數(shù)據(jù)吞吐量、良好的集成性等分離儀器無法比擬的優(yōu)勢很好的滿足了該需求。

基于HOST的第一代RFID測試站

在目前的應(yīng)用領(lǐng)域，符合國際標(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)建了其測試系統(tǒng)。

系統(tǒng)構(gòu)架

該系統(tǒng)具有非常簡潔的系統(tǒng)構(gòu)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(yīng)答分析儀。

測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上經(jīng)天線向外發(fā)送，被測試的電子標(biāo)簽接收此脈沖信號，卡內(nèi)芯片對此信號進(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)送給測試系統(tǒng)，接收到的信號通過矢量信號分析儀進(jìn)行下變頻及ADC，應(yīng)答信號在解調(diào)、數(shù)字化之后送至控制器進(jìn)行物理層測試，同時經(jīng)過解碼后進(jìn)行協(xié)議層測試。

軟件設(shè)計

在軟件設(shè)計中，采用了模塊化的層次結(jié)構(gòu)，使得軟件構(gòu)架也非常的簡潔。首先將整個軟件系統(tǒng)劃分為了三個層次：硬件控制層、物理測試層以及協(xié)議測試層。其中，硬件控制層實現(xiàn)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；物理測試層實現(xiàn)對應(yīng)答信號的物理參數(shù)測試，包括時、頻域的各種測量分析；協(xié)議測試層實現(xiàn)指令信號的生成、編碼，以及應(yīng)答信號的解碼、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。

硬件控制層：初始化硬件、配置硬件參數(shù)、下載指令波形、發(fā)送指令及接受應(yīng)答、關(guān)閉硬件
物理測試層：實時頻譜分析、時域波形參數(shù)測量、時頻聯(lián)合分析
協(xié)議測試層：指令生成、指令編碼、時域信號定位、應(yīng)答解碼及協(xié)議分析
各功能模塊都經(jīng)過了良好的封裝，在實現(xiàn)復(fù)雜算法的同時又具有簡潔、標(biāo)準(zhǔn)的接口，在此基礎(chǔ)上，最終測試系統(tǒng)的構(gòu)建，以及用戶的二次開發(fā)，如：自定義測試、數(shù)據(jù)管理等，都可以輕松的實現(xiàn)。

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測試軟件的一個核心問題就是對這些遵循不同標(biāo)準(zhǔn)的信號進(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)答信號是具有副載波二次調(diào)制的ASK；Mode2的指令調(diào)制為