采用NI模块化仪器构建业界领先的RFID测试系统

一、 RFID技术及其测试 

1. RFID技术简介 

RFID是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别，俗称电子标签。RFID技术是从二十世纪90年代兴起的一项非接触式自动识别技术。它是利用射频方式进行非接触双向通信，以达到自动识别目标对象并获取相关数据，具有精度高、适应环境能力强、抗干扰强、操作快捷等许多优点。近年来，RFID技术在国内外发展很快，产品种类很多，像TI、Motorola、Philips、Microchip等世界著名厂商都生产RFID产品，并且各有特点，自成系列。RFID已被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域，例如门禁系统、智能公交卡、商品物流管理以及第二代身份证等。  

  


2. RFID测试需求及现状 

作为无线通讯的新兴领域之一，RFID技术在具有无线通讯技术所共有的特性之外，又有着其独有的特殊性，其中最为重要的是标准的多样化。国际上制定RFID标准的组织比较著名的有三个：ISO，美国的EPC global以及日本的Ubiquitous ID Center，目前已定义的RFID标准，包括工作频率在低频（120-134kHz），高频（13.56MHz），超高频（433MHz、860-960MHz、2.45GHz）和特高频（5.8GHz）频率范围内，符合不同标准的不同产品，而且不同频段的RFID标签会有不同的特性。但无论采用哪种频率或标准，在产品开发和生产过程中都必须解决测试的问题。  

RFID的测试主要为一致性测试，射频测试是最重要的测试内容，如射频包络测试、反应时间测试以及不同调制参数和编码方式下的数据读写等，以验证RFID标签的射频性能是否符合标准。芯片设计的影响、制造工艺的影响或者为不同类别的产品设计不同的天线，都会导致RFID标签的射频性能发生变化，因此在研发和生产过程中必须对该产品的射频性能进行测试，以保证其射频指标符合RFID射频标准的要求。 

对于单一标准的通讯系统，如蓝牙，传统测试仪器制造商已能够为其提供综测仪。蓝牙测试系统配置包括一台测试仪和被测设备，其中测试仪作为主单元，被测设备作为从单元。两者之间通过射频电缆相连或通过天线经空中传输相连，在建立通讯链路的基础上进行参数的设置及测试。  
对于RFID，采用传统仪器难以实现对多标准的支持，目前主流的传统测试仪器制造商尚未推出类似的综测仪。仅有Tektronix推出的RTSA系统能够以第三方的方式在RFID通讯的过程中捕获信号并进行物理层测试，但由于其不具备RFID协议，不能进行协议层测试，且仍需要额外的读写设备作为主单元与被测单元建立通讯。 

3. 基于NI技术的创新 

随着成本的下降和标准化的实现，RFID技术的全面推广和普遍应用将是不可逆转的趁势。面对RFID测试领域的巨大需求以及相关测试仪器的匮乏，我们采用NI在测试领域的优势技术，结合聚星在射频测试领域的技术专长，成功的构建了一套基于模块化仪器的RFID测试系统。该系统的推出弥补了RFID测试领域的空白，对比于传统的测试仪器，无论是在功能还是性能上，该系统均处于业界领先地位。 

首先，该系统具备RFID协议，能够主动与被测单元间建立通讯，不再依赖于额外的读写设备；其次，在软件层实现了对RFID多标准的支持，使用同一系统就能够对不同标准的RFID标签进行测试；再次，支持RFID标准中的各种调制方式、调制参数以及编码方式，能够实现从物理层到协议层的各种测试项目；最后，可以扩展支持厂家自定义的指令集，从而支持各厂家所生产的不同RFID产品。 

另一方面，随着RFID产品产量的不断增大，测试时间将会成为制造过程中影响成本的一个重要因素，这就要求测试系统能够在非常短的时间内完成各种测试。基于模块化仪器的测试系统，以其高数据吞吐量、良好的集成性等分离仪器无法比拟的优势很好的满足了该需求。 

二、 基于HOST的第一代RFID测试站 

在目前的应用领域，符合国际标准的高频RFID正逐渐取代原来各厂家自行定义的低频RFID，并成为主流，其中应用较广的标准有ISO14443、ISO15693、ISO18000-3以及EPC C1G1等，俗称为第一代RFID，我们以HOST为处理核心构建了其测试系统。 

1. 系统构架 

该系统具有非常简洁的系统构架，采用矢量信号发生器（PXI-5671）和矢量信号分析仪（PXI-5660）作为射频仪器，并采用嵌入式控制器（PXI-8196）作为指令发生器和应答分析仪。 

测试过程中由控制器生成指令，并进行编码，之后通过矢量信号发生器进行DAC及上变频，调制在某一频率的载波信号上经天线向外发送，被测试的电子标签接收此脉冲信号，卡内芯片对此信号进行解析之后返回应答，经编码、调制后通过卡内天线再发送给测试系统，接收到的信号通过矢量信号分析仪进行下变频及ADC，应答信号在解调、数字化之后送至控制器进行物理层测试，同时经过解码后进行协议层测试。 

2. 软件设计 

在软件设计中，采用了模块化的层次结构，使得软件构架也非常的简洁。首先将整个软件系统划分为了三个层次：硬件控制层、物理测试层以及协议测试层。其中，硬件控制层实现对模块化仪器的控制，包括板载信号处理以及硬件触发采集等；物理测试层实现对应答信号的物理参数测试，包括时、频域的各种测量分析；协议测试层实现指令信号的生成、编码，以及应答信号的解码、协议分析。在多层次结构的框架下，各层又具体的分为一系列的功能模块。 

硬件控制层：初始化硬件、配置硬件参数、下载指令波形、发送指令及接受应答、关闭硬件 

物理测试层：实时频谱分析、时域波形参数测量、时频联合分析 

协议测试层：指令生成、指令编码、时域信号定位、应答解码及协议分析 

各功能模块都经过了良好的封装，在实现复杂算法的同时又具有简洁、标准的接口，在此基础上，最终测试系统的构建，以及用户的二次开发，如：自定义测试、数据管理等，都可以轻松的实现。 

如同CDMA或者TCP/IP，RFID也是一种协议，它是系统用来区分信号中的数据和控制信息的一整套规则。协议层之下是被调制的信息，无线通讯中常见的ASK、FSK、PSK调制，在RFID协议中均有采用，RFID协议将这些经调制的载波打包成标签可以解读的形式。RFID测试软件的一个核心问题就是对这些遵循不同标准的信号进行数字滤波、调制/解调、编码/解码。以工作频率在13.56MHz 的ISO18000-3为例，其中又包含了两种子类型，Mode2主要应用于日本，Mode1则在全球都有着非常广泛的应用。 

   

在RFID的各标准中，都存在一些较为特殊的定义，如Mode1支持两种指令编码，其应答信号是具有副载波二次调制的ASK；Mode2的指令调制为±1°～±2°的相位跳动调制，其应答调制为在8个可选通道中随机选择一个通道的BPSK。 

在NI的数字滤波器设计工具包，调制工具包的基础上，结合聚星自行开发的无线测试工具包，我们实现了对RFID中的各种复杂调制、编码标准的良好支持。 
3. 优势技术 

i. 模块化硬件：自动化集成 

NI模块化仪器结合了紧凑的高性能硬件以及灵活的开发软件，通过选择合适的硬件模块并在标准的软件环境中定制测试程序，即可满足各种具体的应用要求，采用模块化仪器构建的系统比传统的仪器具有更高的灵活性、测量精度、数据吞吐量和同步特性。 

NI推出的射频模块将矢量信号分析仪和发生器的功能集成到轻巧的模块化PXI平台上，基于工业标准的PXI-5660和PXI-5671，具有达2.7 GHz的频率范围，高实时带宽，高稳定度OCXO时基，并结合了频谱分析软件和定制调制模式的功能。模块化解决方案的应用，使得我们的测试系统能够以单一仪器集成了RFID的各项通讯、测试功能，并最终适用于生产线上的高速自动化测量。 

ii. 硬件触发：定时和同步 

一般而言，传统仪器的同步功能通常很难做到，在许多情况下，要保证仪器之间必要的定时精度是不可能的。NI模块化仪器具有建立高度集成测量系统的定时和同步特性，特别是PXI模块化仪器可以利用内置在PXI背板上的时钟和触发总线。集成式的定时和同步功能，使得高性能的激励响应系统的构建得到了保障。在RFID测试中，通讯过程通常在毫秒量级的时间内即完成，这就要求我们的测试系统在发送指令和接收应答之间建立可靠的高速同步性能，PXI的架构使矢量信号分析仪和发生器的集成和同步得以轻松实现。  

   

iii. DUC，DDC：板载信号处理 

DUC，DDC是数字上变频以及数字下变频的缩写，即两种板载信号处理，PXI-5660和PXI-5671均包含了板载信号处理功能。PXI-5671提供的DUC可通过板载硬件进行正交数字上变频和基带信号插值，PXI-5660提供的DDC可通过板载硬件进行正交数字下变频和基带信号抽取，从而大大降低波形的规模，减少波形计算和波形数据传输的时间。板载信号处理功能特别适用于要求数据读取时响应迅速的软件无线电应用，此功能极大的提高了RFID测试系统的性能。 

iv. 模块化软件：多协议支持 

强大的测试软件是虚拟仪器技术的关键，如前所述，该系统突破了传统仪器受专有硬件限制的局限性，在软件层实现了对RFID多标准的支持。结合NI模块化硬件提供灵活的平台，我们采用了层次化、模块化的软件构架，从而使系统功能适应RFID的测试需求。虽然RFID的各种标准之间，其编码/解码、调制/解调过程的具体实现方式都不尽相同，但通过模块化的良好封装，顶层的功能模块都以统一的标准接口呈现给用户。这样使得现已支持的标准都能够很好的整合在一起，并且为将来可能扩展的新标准支持提供了非常方便的接口。 

三、 基于FPGA的第二代RFID测试站 

RFID技术作为新兴领域也在不断发展，第二代RFID以超高频（860-960MHz）EPC Class-1 Generation-2标准为代表，被认为是面向供应链管理的RFID在发展过程中的一块里程碑。该标准起源于2002年，最终于2005年正式确立，其简化版即ISO18000-6 Type A标准。符合第二代标准的商用产品随即开始开发，并有望在未来的几年内替代现行的第一代RFID。 

第二代RFID旨在从许多方面改进性能，包括更经济、更小的芯片，更高的数据传输速率，更长的电子产品编码，更先进的防冲突算法，更快的读取速度等。在第二代RFID大幅度提高性能的同时，也为测试系统提出了更大的挑战，其中最为核心的技术难点是，该标准要求微秒级的实时应答，目前尚无测试仪器能达到如此高的实时性。因此我们采用NI最新推出的一块模块化仪器，并以FPGA为处理核心构建了新一代的测试系统。 

1. 系统构架

该系统构架由第一代系统改进而来，第二代超高频RFID标准需要在应答器和标签之间建立微秒级实时通讯，因此我们采用IF RIO结合上、下变频器来实现实时通讯过程，板载FPGA用于建立实时通讯，HOST处理器用于信号的后续分析。
测试过程中由IF RIO板载FPGA生成指令，并进行编码，之后通过板载DUC以及DAC转化为中频信号，传送给上变频器调制在射频载波上经天线向外发送。接收到的应答信号经下变频器转化为中频信号后传送给IF RIO，通过板载ADC以及DDC转化为数字基带信号，应答信号在解调、数字化之后送至控制器进行物理层测试，同时由FPGA解码后的信息也送至控制器进行协议层测试。

2. 软件设计

软件设计采用了与第一代系统相同的模块化层次结构，即：硬件控制层、物理测试层以及协议测试层，在此不再复述，不同之处在于第一代系统的核心代码运行于HOST处理器上，而第二代系统的核心代码运行于FPGA上，上图为其软面板用户界面。

如图所示，整个实时通讯（Inventory）过程在1.8毫秒内即全部完成，其中包含了3条指令以及3条应答，即Query（指令）--RN16（应答）--ACK（指令）--PC,EPC,CRC16（应答）--ReqRN（指令）--Handle（应答），反应时间T1（指令结束到应答开始）和T2（应答结束到指令开始）都在20微秒左右。

根据其标准， ACK指令中必须正确包含前一条应答中的16位随机数，且反应时间T2应在3-20Tpri之内（约几微秒到几十微秒），否则通讯将失败，因此采用预先生成指令的方式无法完成实时通讯，测试系统必须具有在极短的时间内实时生成指令的能力。我们采用了IF RIO板载FPGA的超高速实时处理能力，在标准规定的时间内，完成了应答的解调、解码、随机数提取、指令的编码、随机数嵌入、调制的全过程，这也是第二代RFID测试中最为核心的技术难点之一。在此基础上，我们更进一步实现了反应时间T2的微秒级定时控制，以及第二代RFID以随机数为基础的防冲突管理机制，以下是该系统所支持的多种RFID标准。

 

3. 优势技术

i. 模块化硬件：设备再利用，灵活可扩展

灵活的模块化系统架构可以快速适应行业标准的变化，这一点在RFID的测试中得到了极好地体现，第二代系统与第一代系统之间实现了大部分设备的再利用，其中模块化仪器PXI-5610上变频器、PXI-5600下变频器分别为PXI-5671矢量信号发生器、PXI-5660矢量信号分析仪的子模块。模块化硬件的灵活性也为系统提供了良好的扩展功能，在原有系统的基础上扩展了IF RIO之后，即实现了新一代测试系统的构建。

ii. FPGA：板载实时决策，微秒级定时控制

IF RIO（PCI-5640R）从属于R系列可重配置I/O，包括一个3百万门Xilinx Virtex-II Pro P30 FPGA、2路100MS/s中频输入、2路200MS/s中频输出、DDC和DUC、以及2 MB SRAM。IF RIO采用了FPGA作为控制器，具有可配置的触发、定时、以及板载决策，能够实时地控制I/O信号，实现了I/O的可配置化以适于特定的应用，特别适合于各种数字通讯协议测试系统的构建。

在第二代RFID的测试中，最大的挑战就是实现其协议中的实时应答机制，正是由于采用了FPGA的实时处理能力结合可自定义的板载决策，各种复杂的数字滤波、调制/解调、编码/解码、CRC以及逻辑控制算法得以在FPGA硬件层次上运行，使得系统具有极高的实时性能，这也是本方案中最重要的创新之一。以防冲突管理机制的实现为例，由于其机制是以随机数为基础的，RFID标签将以一定的概率返回或不返回应答，无法以简单的逻辑来实现测试，因为我们在FPGA中实现了状态机机制，能够自动实时处理防冲突管理过程。

另一方面，在反应时间T2的极限测试中，要求测试系统的反应时间能够以微秒级的精度进行调节，我们采用了FPGA所提供的高精度定时功能，结合自适应的反馈算法，实现了在各种测试条件下的精确定时，误差不超过1微秒，满足了RFID测试的需求。

iii. LabVIEW FPGA图形化编程

LabVIEW FPGA将图形化开发环境LabVIEW的功能扩展到了FPGA应用中，为可重配置I/O硬件上的现场可编程门阵列（FPGA）芯片提供了图形化开发功能。通过LabVIEW FPGA，可以在Windows主机上开发FPGA程序，将直接的I/O访问与自定义的逻辑相结合，并使用编译器生成最终的硬件代码，开发过程中无需使用任何低层硬件描述语言或硬件板卡设计。在第二代系统的开发过程中，正是由于LabVIEW FPGA的采用，使得第一代系统HOST上的部分核心代码得以移植到FPGA上，进而使整体的开发速度大大加快。

四、 结论

在NI模块化仪器结合虚拟仪器的构架上，我们在较短的时间内成功研制出了全球第一台拥有微秒级实时应答能力，且能进行完整的物理层及协议层测试的RFID测试系统，该系统的推出超前了主流的传统测试仪器制造商。NI的优势技术确保了本解决方案的成功，目前该系统已成功应用于全球范围内的多家RFID领域的领先企业，如美国TI，Symbol，日本Toppan，Fujitsu，随着RFID技术在中国的逐步推广，本解决方案也在广东，台湾等地区引起了客户的广泛关注。