RFID协议一致性测试系统设计

1.RFID协议一致性测试系统发展现状

近年来,RFID技术得以快速发展,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。随着制造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,这也给RFID测试领域带来了巨大的需求和严峻的挑战。负责制订RFID标准的两大主要国际组织ISO和EPCglobal都针对RFID协议一致性测试及其系统设计发布了相关的规范。

1.1RFID协议一致性测试的相关规范

RFID协议一致性测试规范是随着RFID协议标准的发展而发展起来的,测试规范的目的即确定被测单元的特性与协议标准的规定一致。ISO和EPCglobal都根据已发布的RFID协议标准制订了对应的测试规范,用于指导进行规范、可靠的RFID协议一致性测试。由于不同RFID协议的调制参数、编码方式、防冲突机制、帧结构、指令集等都各不相同,且不同频段的RFID产品可能具有完全不同的特性,所以每一种协议都有其对应的一致性测试规范,如表1-1所示:

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表1-1:RFID协议标准对应的一致性测试规范

  RFID协议标准中规定了包括物理层和协议层在内的各项特性,而一致性测试规范中则规定了测试环境、测试项目和测试预期结果,根据测试规范列举的测试项目,通过比较被测单元的实际输出与预期输出的异同,来判定被测单元是否与协议标准的规定一致。

除此之外,每个国家或地区还会有特定的RFID产品规范,会对产品的功率、频率、带宽等参数进行限制,该规范所规定的各项技术指标也属于RFID协议一致性测试的范畴。对于在中国销售和使用的RFID产品,国家信息产业部于2007年发布了“800/900MHz频段RFID技术应用试行规定”,以规范该频段RFID 产品的应用。

1.2RFID协议一致性测试系统面临的困难与挑战

对于大多数已长期应用的无线通讯系统,如GSM等,传统测试仪器制造商已能够为其提供综合测试仪。典型的协议一致性测试配置包括一台综合测试仪和被测设备,其中综合测试仪作为主单元,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。RFID技术作为无线通讯的新兴领域之一,其协议一致性测试目前仍然较多的依靠信号发生器、频谱仪和示波器等传统仪器的组合,但由于RFID技术在具有无线通讯所共有的特性之外,又有着其独有的特殊性,采用传统仪器的组合很难构建出完善的协议一致性测试系统。

首先,RFID阅读器与标签的测试与传统设备的测试差异较大,以EPC UHF Class 1 Gen 2标准为例,阅读器和标签通讯的时序如图1-1所示:

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图1-1:EPC UHF Class 1 Gen 2通讯时序

  整个实时通讯过程在数毫秒内即全部完成,其中包含了2条指令以及2条应答交互的实时握手操作,即Query(指令)→RN16(应答)→ACK(指令)→PC+EPC+CRC16(应答),其中链接时间T1和T2都在微秒量级。根据协议标准,ACK指令中必须正确包含前一条应答中的16位随机数,且在规定的链接时间T2之内反馈给标签,否则通讯将失败。因此采用预生成信号的方式无法完成实时通讯过程,测试系统必须具有在极短的时间内实时生成信号的能力,传统的信号发生器无法满足该协议的时序要求。

其次,RFID协议一致性测试的关键在于测试的完整性,必须根据一致性测试规范对被测单元进行完整的物理层和协议层测试。传统仪器通常只能够完成对物理层参数的测试,而由于其灵活性的局限无法对协议层参数进行测试。另一方面,由于测试条件众多,对于单个参数,如链接时间等,需要在不同频率,不同码率,不同编码方式等情况下分别进行测试,这就使得测试点成几何级数增长。如果采用传统仪器进行手动测试,完成完整的协议一致性测试将需要很长的时间,如何提高测试速度也成为了RFID协议一致性测试系统的课题之一。

再次,RFID协议标准种类众多,有适用于近距离通讯的LF、HF频段标准,还有适用于远距离通讯的UHF、Microwave频段标准,各个频段内的标准还由于工作模式、数据传输等的不同而不同。每一种RFID协议都有自己独特的测试需求,在ISO和EPCglobal制订的各个RFID协议一致性测试规范中,对一致性测试系统的描述和要求也不尽相同。RFID协议标准的多样性为协议一致性测试系统带来了巨大的挑战,如何用一个通用测试平台来覆盖所有的RFID协议标准,可靠的实现RFID协议一致性测试,是亟需解决的一个问题。

最后,RFID技术本身还在不断演进,包括ISO和EPCglobal在内的国际组织,以及RFID领域的领先企业,还在不断的完善现有协议,发展新协议,如即将发布的EPC HF Class 1 Gen 2标准将作为Mode 3对ISO 18000-3标准进行扩展。新协议的出现,又会带来新的物理层空中接口规定和协议层数据交换标准,因此需要一个灵活可扩展的测试平台与之相适应,使之不仅能实现对现有RFID协议的一致性测试,也能快速应对下一代RFID协议的测试需求。

2.RFID协议一致性测试系统概述

目前应用于RFID协议一致性测试的系统主要有以下几种构架方式,即:成功/失败模式、监听模式、激励/响应模式、实时仿真模式,依次覆盖了从简单到复杂不同层次的一致性测试需求。本节中我们将对比不同构架的特点及其局限性,并引入软件无线电等关键技术,结合各种测试构架来应对RFID协议一致性测试中面临的困难与挑战。

2.1RFID协议一致性测试系统的构架方式

1.成功/失败模式

最简单的RFID协议一致性测试系统采用一个参考阅读器与被测标签之间进行通讯,得出通讯成功或失败的结果,以此判定被测标签的特性,或反之采用参考标签判定被测阅读器的特性。成功/失败模式如图2-1所示:

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图2-1:成功/失败模式

  该测试模式的特点是系统构成简单,测试时间极短,适合于生产线等对测试速度要求很高的测试场合。但其缺点在于测试项目少,测试结果简单,仅能提供被测单元是否正常工作的信息,对于判定被测单元的协议一致性来说是远远不够的。另外,当遇到测试结果为失败时,由于无法分析失败的原因,不能够对被测单元的改进提供有用的信息。

2.监听模式

严格来说,成功/失败模式并未真正构成RFID协议一致性测试系统,该模式更多的只作为一种辅助的测试手段。针对成功/失败模式的不足,我们可以在它的基础上增加频谱仪和示波器等仪器,构成监听模式。进一步的,我们可以采用矢量信号分析仪等高级信号分析仪器替代频谱仪和示波器,以获得更加强大的信号分析能力。在该测试模式中,当参考单元和被测单元之间进行数据交换时,我们可以通过第三方仪器对通讯的信号进行采集和分析。监听模式如图2-2所示:

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图2-2:监听模式

  该测试模式能够实现的协议一致性测试功能主要取决于两个要素,首先是矢量信号分析仪。RFID协议一致性测试,要求矢量信号分析仪不仅具有传统的时域和频域分析功能,还需要具有针对RFID协议的解调和解码功能,才能获得通讯过程中的数据。同时,矢量信号分析仪还需要具备适合于RFID信号的同步触发采集功能,如射频功率触发或频谱模板触发。由于几乎所有RFID信号都是间断的瞬时信号,具有射频功率开启标志着通讯开始的共同特征,射频功率触发已成为最常用的触发采集方式。除此之外,由于RFID阅读器和标签之间的通讯速率很快,受限于矢量信号分析仪的操作和信号处理速度,监听模式下无法实现对信号的实时分析,而只能采用实时采集,离线分析的方式,因此矢量信号分析仪的信号存储能力就显得至关重要了。

监听模式在弥补了成功/失败模式的不足的同时,也存在着同样的局限性,即该测试模式的另一个要素,参考单元(阅读器或标签)。在RFID协议标准中,对于大多数参数的规定,都采用了灵活组合的方式,即阅读器和标签都可以在宽泛的范围内进行操作,如不同的调制参数、编码方式、数据速率、强制的和可选的指令集等。需要说明的是,协议标准规定阅读器和标签并不需要同时支持所有的参数组合方式,而由于研发和生产成本等因素的制约,实际的RFID产品也无法支持所有的参数组合方式。

参考单元的选择很大程度上决定了该测试模式的效果,但寻找一个包含了所有功能的“完美”参考单元几乎是不现实的。退一步来看,即使找到了“完美”参考单元,对于完成RFID协议一致性测试来说还是不够的,因为在协议一致性测试中,不仅需要测试协议规定的正确通讯流程,还需要执行非正常流程来测试被测单元在特定条件下的反应。

受参考单元功能限制的影响,监听模式很难实现全面的协议一致性测试,但对于协议一致性测试来说,测试的完整性却又是必须保证的。因此,监听模式只适合于基本的物理层测试,如不依赖于标签应答的阅读器射频参数等。

3.激励/响应模式

RFID协议一致性测试系统的第三种实现是激励/响应模式,在这种模式下,参考单元被矢量信号发生器所取代,矢量信号发生器可以发射特定的RFID信号给被测单元,并同时给矢量信号分析仪发送一个数字触发标志,在收到触发时矢量信号分析仪开始同步采集通讯信号以进行分析。激励/响应模式如图2-3所示:

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图2-3:激励/响应模式

  该测试模式在各类测试应用中是比较常见的,因为这种测试模式具有很强的可控性并且容易实现自动化测试。与被动的监听模式不同,激励/响应模式能够主动的发射所需的激励信号,以此获得一个预期的响应信号,可以有效的提高信号分析工作的效率。对比于分析一个已知的预期信号,被动的分析一个未知信号往往要花费成倍的运算量与处理时间。激励/响应模式的可控性,还在于它可以通过激励信号主动的控制被测单元的状态,进而控制整个测试的流程,这也是自动化测试必不可少的条件。

在使用矢量信号发生器替代参考单元之后,监听模式下最大的局限性也得以改善。现代的矢量信号发生器通常都是支持程控的,可以通过软件来自由的控制各种物理层参数,仿真不同RFID协议的阅读器指令或标签应答,而矢量信号发生器和矢量信号分析仪的协同工作,也使得协议层参数的控制成为可能。进一步的,该模式下还能够执行非正常流程,测试被测单元的错误处理机制,进行完整的协议一致性测试。

激励/响应模式的优势显而易见,这也使它成为RFID协议一致性测试的最佳方案,此外还可以用于RFID互操作性测试和性能测试。但基本的激励/响应模式仍然有一个问题尚未解决,即RFID协议标准中的实时握手通讯过程,因此只能适用于大多数不需要实时握手通讯的RFID协议一致性测试。

4.实时仿真模式

作为激励/响应模式的衍生和改进,实时仿真模式采用了通用的基于FPGA的基带处理器,同时替代了矢量信号发生器的信号发生模块和矢量信号分析仪的信号分析模块,配合射频前端协同工作。对于射频前端部分,可以采用具有基带信号输入功能的矢量信号发生器和具有基带信号输出功能的矢量信号分析仪,或直接采用独立的射频上变频器和射频下变频器,通过基带信号接口与FPGA基带处理器相连接。实时仿真模式如图2-4所示:

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图2-4:实时仿真模式

  该测试模式最大的特点是将原本分离的信号发生和信号分析模块合二为一,在同一个基带处理器上依靠FPGA强大的实时处理能力,实现了从信号仿真到信号测量的全部功能,并且实现了从信号分析到信号发生的实时反馈,最终解决了RFID协议一致性测试中的实时握手通讯问题。除此之外,信号发生和信号分析模块的一体化,还为进一步提高测试速度提供了可能,FPGA的灵活可编程特性,也为快速应对未来RFID协议的测试需求提供了保障。

2.2RFID协议一致性测试系统的关键技术

嵌入FPGA基带处理器的实时仿真模式,实质上是引入了“软件无线电”这一关键技术。所谓软件无线电技术,即通讯过程的信号由软件来确定,是一种用软件实现物理层链接的无线通讯设计。软件无线电技术的核心是将宽带A/D、D/A尽可能靠近天线端,采用软件数字化的实现尽可能多的无线电功能,其中心思想是在一个标准化、模块化的通用硬件平台上,通过软件编程,实现一种具有多模式无线通讯功能的开放式体系结构。

1992年5月在美国通讯系统会议上,约瑟夫•米托拉首次明确提出了“软件无线电”的概念。随着计算机技术的普及,软件无线电技术快速发展,特别是在测试测量领域以其独特的优势得到了越来越广泛的运用。软件无线电技术的主要优点在于它的灵活性,可以通过增加软件模块,方便地增加新功能。在软件无线电中,诸如信道带宽、调制参数、编码方式等都可以进行动态调整,以适应不同通讯或测试的需求。软件无线电技术具有较强的开放性,由于采用标准化、模块化结构,其硬件可以随器件和技术的发展而更新或扩展,软件也可以随需要不断升级,能够有效的降低系统的开发升级成本,提高资源的重复利用度,节约开发时间。

软件无线电作为一种开放式构架,在不同的具体应用中其体系结构也会稍有差异, 借鉴ITU-R SM.1537标准对软件无线电接收机的定义,我们可以看到适用于各种软件无线电系统的一般准则,如图2-5所示:

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图2-5:软件无线电(接收机)的体系结构

  软件无线电的体系结构包含三个关键要素:模块化硬件,开放高速总线,数字信号处理,以下将依次介绍各要素的特点及其对RFID协议一致性测试系统的影响。

1.模块化硬件

随着无线通讯技术的高速发展,对于测试测量也提出了更高的要求,测试项目和范围与日俱增,测试精度和速度要求急剧提高。在测试系统中,对仪器的“智能”要求越来越高,仪器中微机的任务不断加重,仪器在很多方面逐渐向计算机靠拢,测试系统中包含的重复部件也越来越多,因此需要统筹地考虑仪器与计算机之间的系统结构。在这种背景下,1982年首次出现了一种与PC机配合使用的模块化仪器,测试系统的结构逐渐也从传统的机架层迭式结构发展成为模块化硬件结构。

基于模块化硬件的测试系统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需求,采用模块化硬件构建的测试系统比传统仪器具有更高的同步特性、数据吞吐量、测量精度和灵活性。在RFID协议一致性测试中,以实时仿真模式为例,我们可以选择模块化的FPGA基带处理器、模块化的射频上变频器、模块化的射频下变频器来构成集成的测试系统。灵活的模块化硬件结构也为系统提供了良好的扩展性, FPGA基带处理器可以满足不断演进的RFID协议,通用的射频前端则提供了HF、UHF 以及Microwave等多种频率接口。

2.开放高速总线

仅模块化硬件并不足以构成一个完整的测试系统,模块化硬件之间还需要开放的高速总线来连接成为一个有机的整体,在测试测量技术发展的过程中,先后出现了GPIB、VXI、PXI、PXI Express等多种仪器总线。

早在机架层迭式结构的阶段,人们就认识到几乎不可能采用独立仪器来实现一个完整的测试系统,提出了采用不同仪器组合,通过仪器总线来构建测试系统的方法。最早于60年代中期发展起来的惠普接口总线(HP-IB)是第一种被广泛应用的仪器总线,也被称为GPIB,它能够把最多15台仪器连接到一台控制器上,最高数据传输速率为1MB/s,许多仪器制造商提供了大量支持GPIB总线的测试仪器。GPIB总线的主要局限在于它的带宽,在应用于高数据流量的测试场合,如无线通讯测试时,可能成为系统的瓶颈。在模块化硬件结构基础上,则发展出了基于VEM总线的仪器扩展平台VXI总线,基于PCI总线的仪器扩展平台PXI总线,以及基于最先进的PCI Express总线的仪器扩展平台PXI Express总线。

PXI总线在每一个桥段上允许连接7个外围设备,使用PCI-PCI桥接后最多可以有256个扩展设备,能够达到132 MB/s的最大数据传输速率。在大幅度提高总线带宽的同时,PXI总线还加入了多背板同步时钟,把10MHz的参考时钟分布到所有的外围设备上,并且有8条可选择的总线触发线。PXI Express总线在具有PXI总线一系列优点的基础之上,更进一步的把最大数据传输速率提高到了数GB/s级别。在RFID协议一致性测试中,通讯过程通常在毫秒量级的时间内即完成,这就要求测试系统的各个组件之间具有可靠的高速同步机制,对于脱离开放高速总线的系统来说,精确的同步机制通常很难做到。另一方面,通讯信号的采集分析需要较高的采样率来保证信号的完整性,由此而带来的高数据流量也得益于开放高速总线而解决。

3.数字信号处理

强大的数字信号处理是软件无线电技术的关键,具体又分为固化于模块化硬件上的硬件数字信号处理,以及运行于FPGA和CPU上的软件数字信号处理。在无线通讯测试领域,数字上变频(DUC)和数字下变频(DDC)是最常见的两种硬件数字信号处理功能。DUC可通过硬件进行正交数字上变频和基带信号插值, DDC可通过硬件进行正交数字下变频和基带信号抽取,从而大大降低信号的数据量,减少数据处理和传输时间。DUC和DDC的应用价值在于,在实际的射频测试仪器的实现中,出于抗干扰等一系列因素的考虑,A/D、D/A的转换通常并非直接在基带完成,而是在介于基带和最终射频信号之间的某一“中频”信号下完成,具体可参阅相关射频技术书籍。DUC和DDC实现了数字基带信号和数字中频信号之间的双向转换,此功能极大的提高了RFID协议一致性测试系统的性能。

运行于FPGA和CPU上的软件数字信号处理则能够完成基带信号相关的分析处理功能,其中 FPGA具有可配置的触发、定时和板载决策,能够实时地控制I/O信号,特别适合于RFID协议一致性测试中实时处理功能的构建,各种复杂的数字滤波、调制/解调、编码/解码、CRC以及逻辑控制算法在FPGA上都得以实时执行。CPU对于各种通用软件的强大支持特性,非常适合于完成复杂的非实时信号处理工作,以及构建上层的测试应用程序,如运用测试管理软件来组织RFID协议一致性测试众多的测试项目,实现复杂的自动化测试系统。

3.RFID协议一致性测试系统总体设计

软件无线电这一关键技术的应用,使得RFID协议一致性测试系统能够突破传统仪器受专有硬件限制的局限性,在标准化、模块化、层次化的体系结构上满足一致性测试的需求。RFID协议一致性测试系统的总体结构分为硬件层和软件层,硬件层即根据具体的测试需要,选取适合的模块化硬件而构成,软件层主要包括RFID协议仿真软件,RFID协议一致性测试软件和自动化测试管理软件。

3.1RFID协议一致性测试系统的硬件构架

RFID协议一致性测试系统的硬件构架如图3-1所示:

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图3-1:软件无线电的RFID协议一致性测试系统

  该系统具有非常简洁的系统构架,嵌入式主控制器、FPGA基带处理器、射频下变频器和射频上变频器等模块化硬件通过PXI或PXI Express开放高速总线交换数据及指令,射频模块之间通过射频电缆传输中频信号,并提供与RFID被测单元之间的射频信号接口。

FPGA基带处理器用于建立RFID无线通讯,主控制器用于信号的后续分析和测试流程的控制。测试过程中主控制器发送指令给各功能模块,基带处理器由FPGA实时生成RFID基带IQ信号,再通过板载DUC以及DAC转化为中频信号,传送给射频上变频器调制在射频载波上经电缆或天线发送给RFID被测单元。从被测单元返回的信号经射频下变频器转化为中频信号后传送给基带处理器,通过板载ADC以及DDC转化为数字基带IQ信号,最后通过总线送至主控制器进行物理层和协议层各项参数的分析。

RFID协议一致性测试的基本方式为通过电缆进行测试,而通过天线的测试方式主要应用于性能测试场合,故测试天线以及电波暗室等要素将不列入RFID协议一致性测试系统的基本构架。

3.2RFID协议一致性测试系统的软件构架

RFID协议一致性测试系统的软件构架如图3-2所示,自硬件驱动层之上,分别在FPGA开发环境和HOST开发环境中实现RFID协议仿真,RFID协议一致性测试和自动化测试管理。

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图3-2:RFID协议一致性测试系统软件构架

  RFID协议仿真层是整个RFID协议一致性测试的基础,主要利用FPGA的实时处理能力,仿真实现各种RFID协议的通讯过程,如编码、解码,指令构造和解析,协议状态跳转等核心功能。RFID协议一致性测试层则根据测试规范的规定,实现每一个测试项目的具体步骤,所有的功能模块由最上层的自动化测试管理层进行统一的控制和调用。

虽然不同RFID协议之间的具体实现方式都不尽相同,但得益于软件无线电技术的高度灵活性,软件开发过程中可以进行层次化、模块化的封装,将对不同RFID协议的支持很好的整合在一起,并且为将来可能扩展的新标准提供接口。

4.RFID协议一致性测试系统具体设计

在确定了RFID协议一致性测试系统的总体构架之后,我们可以借助于仪器制造商提供的成熟软、硬件产品,来具体设计RFID协议一致性测试系统的一个实例。一个完整的RFID系统由记录了识别信息的电子标签和能够与标签之间进行数据交换的阅读器组成,RFID协议一致性测试也相应的分为两部分,即标签的一致性测试和阅读器的一致性测试。两者之间既有共性也有差异,以下我们首先介绍共有的硬件层设计,再根据不同的功能实现来分别介绍软件层设计及其余特性。

硬件层设计采用PXI / PXI Express开放高速总线为基础,配合支持该总线标准的模块化硬件来实现RFID协议一致性测试系统的基础功能。以模块化仪器的倡导者之一美国国家仪器为例,可选用的模块化硬件如下:嵌入式主控制器PXIe-8108,FPGA基带处理器PXIe-5641R,射频下变频器PXI-5600,射频上变频器PXI-5610,由此我们可以得到RFID协议一致性测试系统的一个具体设计,如图4-1所示:

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图4-1:RFID协议一致性测试系统硬件层的具体设计

  4.1RFID标签协议一致性测试系统的具体实现

当被测单元为RFID标签时,FPGA基带处理器需要被配置为RFID阅读器仿真模式,与被测标签建立通讯,并配合主控制器完成各项测试工作。RFID标签协议一致性测试系统的具体功能实现如图4-2所示,其中括号中为以EPC UHF Class 1 Gen 2协议标准为例的具体算法:

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图4-2:RFID标签协议一致性测试系统的软件设计

  在软件的设计中,仍然采用模块化的层次结构,FPGA层次主要完成符合RFID协议标准的状态机,以及相应的实时信号处理功能,在此不再详述。HOST层次又划分为多个功能模块:硬件控制、物理层测试、协议层测试和流程管理。

其中,硬件控制模块实现对模块化硬件的控制,包括硬件的配置、触发采集等;物理层测试模块实现对信号的物理参数测试,包括时、频、调制域的各种测量分析;协议层测试模块实现对信号的协议参数测试,包括数据分析,帧结构分析等。流程管理模块则与专业自动化测试流程管理软件(例如TestStand)配合,实现对RFID协议一致性测试项目的管理,以及测试报告的生成等。RFID标签协议一致性测试软件的示例如图4-3所示:

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图4-3:RFID标签协议一致性测试软件界面

  在RFID无线通讯中,标签的后向散射信号(Backscatter)是较为特殊的,它不同于传统的ASK或PSK信号,而是两者的结合,因此对后向散射信号的正确解析,也是RFID标签协议一致性测试系统实现过程中需要特别关注的一个问题。

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图4-4:后向散射信号和传统ASK、PSK信号的Smith图

  后向散射信号的特性,与RFID标签的物理实现有着密切的关联。RFID标签工作时,由天线收集电磁波,经过内部芯片的处理后,再以特定的方式将电磁波向原发射方反射,数据的传递则依赖于RFID标签在两个不同的阻抗状态之间快速切换,以此产生变化的电磁波反射。通常每个状态的阻抗都同时具有实部和虚部,实部和虚部的分布还会随工作频率的变化而变化,这样后向散射信号就会在幅度和相位上都发生改变,成为ASK和PSK结合的信号。后向散射信号的处理算法是RFID标签协议一致性测试的保证,也是更多高级测试,如?RCS等的基础。对于后向散射信号,可以采用改进的PSK解调算法,如图4-5所示:

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图4-5:后向散射信号的处理

  4.2RFID阅读器协议一致性测试系统的具体实现

当被测单元为RFID阅读器时,FPGA基带处理器需要被配置为RFID标签仿真模式,与被测阅读器建立通讯。在RFID阅读器协议一致性测试系统的具体实现中,与标签测试所具有的共性就不再复述,本节中主要专注于RFID阅读器测试所特有的功能实现。

RFID阅读器协议一致性测试的最大不同在于通讯过程的主导性,由于绝大多数RFID协议标准都定义为ITF(Interrogator Talk First),即阅读器先发信号模式,在与标签通讯的过程中,阅读器占有主导地位,能够主动的控制通讯的参数和流程。在进行RFID阅读器协议一致性测试时,测试系统需要根据接收到的阅读器指令,来返回特定的标签信号,而不可能通过通讯信号来直接控制被测阅读器的状态。因此,阅读器的测试与标签的测试相比,具有一定的不可预见性,即不能够保证每一次通讯取得的信号都正好是测试所需的。

这里我们将引入一个针对RFID阅读器协议一致性测试的新功能,即信号的实时流盘。所谓实时流盘技术是持续的采集通讯过程中的信号并不间断的记录下来,以供信号分析和测试软件提取所需的信号片段,如图4-6所示。实时流盘的关键在于保证信号的不遗漏,这就要求系统能够支持足够高的数据传输数率,并且拥有足够大的数据存储容量。得益于PXI / PXI Express开放高速总线的高带宽,以及基于计算机磁盘的高密度存储技术,实时流盘功能也得以轻松实现。值得一提的是,在实时流盘软件的具体设计中,软件本身的执行效率也是最关重要的,需要进行专门的优化设计。

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图4-6:实时流盘技术

  另一方面,通讯过程的主导性问题还可以通过在RFID协议一致性测试系统和被测阅读器之间增加额外的通讯链路的方式来解决,如串口、USB或局域网。绝大多数阅读器都提供了以上一种或多种控制接口,在测试过程中,测试系统可以通过通讯接口给被测阅读器发送控制指令,使之发射所需的射频信号并进入预期的测试状态。但该方案在具体实现上仍然存在不可忽略的问题,即目前的阅读器所提供的控制接口千差万别,并未形成一个统一的标准,在RFID协议一致性测试系统的设计中实现对每一种阅读器的控制几乎是不可能的。幸运的是,为解决该问题,目前已有部分的国家和组织开始了阅读器控制接口标准的制订工作。

RFID阅读器协议一致性测试的另一个不同之处在于,标签信号的生成。如前所述,真实的RFID标签通过在两个不同的阻抗状态之间快速切换来产生后向散射信号。对于测试系统来说,如果希望仿真一个真实的通讯过程,就不能够直接通过射频上变频器来给被测阅读器发送射频信号,而是需要通过某种方式来产生一个向散射信号。事实上,在众多RFID协议一致性测试规范中,也定义了阻抗切换模块来完成该功能,例如在ISO 18047-6规范中的定义如图4-7所示:

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图4-7:ISO 18047-6定义的标签模拟器

  在RFID阅读器协议一致性测试系统的具体实现中,我们可以利用FPGA基带处理器的输出,直接驱动外置的阻抗切换模块,反射来自阅读器的电磁波,仿真一个真实RFID标签的工作。

5.RFID协议一致性测试系统演示

在具体实现了RFID协议一致性测试系统之后,我们将可以应用于对RFID单元的实际测试之中,本节以EPC UHF Class 1 Gen 2(也被称为ISO 18000-6 Type C)标准的协议一致性测试为例,来介绍RFID标签和阅读器的协议一致性测试实例。尽管每一种RFID协议都有微妙的不同,但EPC UHF Class 1 Gen 2标准仍然是最具有代表性的一种协议,因为该协议是目前应用最为广泛的UHF RFID标准,同时其协议一致性测试规范,也是众多规范中定义最为完备的一种。通过EPC UHF Class 1 Gen 2标准的测试实例,我们可以看到对各种RFID标准都适用的一般准则。

5.1RFID标签协议一致性测试实例

EPC UHF Class 1 Gen 2标准RFID标签协议一致性物理层测试项目如表5-1所示,测试点数表明该测试项目需要在多少种测试条件组合下进行测试:

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表5-1:RFID标签协议一致性物理层测试项目

  物理层测试中,我们选取FM0前导码的单个测试点为例。FM0前导码测试的目的是检查标签应答是否以协议中所规定的特定前导码序列开头,该前导码用于阅读器对标签应答信号的识别和同步。FM0前导码的协议规定前7个脉冲长度的相对比值为2:1:1:2:1:3:2,允许误差为正负2.5%,如图5-1所示:

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图5-1:FM0信号的前导码(TRext=0)

  测试过程中,RFID标签协议一致性测试系统给被测标签发送Query指令,并检查返回的应答信号。实测信号如图5-2所示,两个光标之间为标签应答的前导码,前7个脉冲的绝对长度依次为4.20,2.12,2.08,4.16,2.08,6.26,4.16微秒,相对比值为2:1.01:0.99:1.98:0.99:2.98:1.98,符合协议规定。

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图5-2:FM0前导码实测信号

  EPC UHF Class 1 Gen 2标准RFID标签协议一致性协议层测试项目如表5-2所示:

测试规范序号协议层测试项目测试点数

66链接频率误差72

70链接时间T172

70最小链接时间T272

70最大链接时间T272

86TID内存数据2

93灭活操作2

97只读标签CRC162

97读写标签CRC162

101PC内存数据2

102默认PC数值2

123, 124, 132, 136Ready和Reply状态2

123, 129Arbitrate状态6

123, 137, 138Acknowledged状态2

123, 139, 141Open状态2

123, 142Secured状态2

145Acknowledged到Secured状态跳转2

148, 149Open到Killed状态跳转2

148, 149Secured到Killed状态跳转2

132, 136Acknowledged到Reply状态跳转2

132, 136Open到Reply状态跳转2

132, 136Secured到Reply状态跳转2

协议层测试中,我们选取链接时间T1和Open状态两个测试项目的单个测试点为例。

链接时间T1测试的目的是测量标签从接收到阅读器指令到返回应答之间的时间间隔,阅读器在发送完指令之后,会在特定的时间窗内检测来自标签的应答信号,落在时间窗之外的标签信号将会丢失。链接时间T1应该处于[Max(RTCal,10Tpri)*(1-FT)-2, Max(RTCal,10Tpri)*(1+FT)+2]区间之内,计算公式中各参数在协议标准中都有明确定义,简便起见,我们这里直接给出在该测试点下的具体数值为[33.1, 44.9]微秒。

测试过程中,RFID标签协议一致性测试系统给被测标签发送Query指令,并测量指令结束到应答开始的时间间隔。实测信号如图5-3所示,两个光标之间为链接时间T1,数值为36.8微秒,符合协议规定。

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图5-3:链接时间T1实测信号

  Open状态测试的目的是验证标签能够正确的从其他状态进入Open状态,正确的协议状态跳转是标签能够完成各项应用功能的基础。进入Open状态的过程是标签协议状态图的一个子集,如图5-4所示:

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图5-4:标签协议状态图Open相关子集

  测试过程中,从标签上电开始,RFID标签协议一致性测试系统给被测标签依次发送Query,QueryRep,ACK,ReqRN指令,验证标签是否依次经过了不返回应答的Arbitrate状态,返回RN16的Reply状态,返回PC,EPC,CRC16的Acknowledged状态,最终进入返回Handle,CRC16的Open状态。实测信号如图5-5所示,即Query→无应答→QueryRep→无应答→QueryRep→RN16→ACK→PC,EPC,CRC16→ReqRN→Handle,CRC16, 符合协议规定。

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图5-5:Open状态实测信号

  5.2RFID阅读器协议一致性测试实例

EPC UHF Class 1 Gen 2标准RFID阅读器协议一致性物理层测试项目如表5-3所示:

测试规范序号物理层测试项目测试点数

7频率准确度50

12数据编码2

14射频包络12

14射频包络22

21上电射频包络11

22上电射频包络21

24下电射频包络11

25下电射频包络21

32前导码2

42FHSS射频包络1

46FHSS信道50

48多阅读器模式频谱1

51密集阅读器模式频谱1

358单边带模式频谱1

物理层测试中,我们选取数据编码,射频包络1和密集阅读器模式频谱三个测试项目的单个测试点为例。

数据编码测试的目的是测量阅读器信号中的PIE编码参数,编码参数确定了阅读器信号数据位的标准长度,并间接确定了标签信号的链接速率。阅读器信号采用不同的脉冲长度进行数据信息的编码,数据0应在6.25到25微秒之间,数据1与数据0的长度之比,应满足如图5-6所示的规定:

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图5-6:PIE编码符号

  测试过程中,RFID阅读器协议一致性测试系统接收被测阅读器发送的指令,并测量Query指令中数据0和数据1 的编码参数。实测信号如图5-7所示,三个光标之间依次为数据1和数据0,其中数据0长度,即Tari为24.8微秒,数据1长度为43.2微秒,PIEx为18.4微秒,符合协议规定。

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图5-7:PIE编码实测信号

  射频包络1测试的目的是测量阅读器信号中的ASK调制参数,包括调制深度、上升沿时间、下降沿时间和脉冲宽度,调制参数必须在一定的范围之内,标签才能够正确识别阅读器的信号。阅读器到标签传输的普通ASK和PR-ASK信号的射频包络都有严格的定义,调制深度应在80%到100%之间,上升沿、下降沿时间应小于0.33数据位长度,脉冲宽度应在0.265到0.525数据位长度之间,如图5-8所示:

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图5-8:普通ASK和PR-ASK信号的射频包络

  测试过程中,RFID阅读器协议一致性测试系统接收被测阅读器发送的指令,并测量特定脉冲的调制参数。实测信号如图5-9所示,被测阅读器采用的是PR-ASK信号,经过脉冲成型滤波后波形变得圆滑,数据位长度为24.8微秒,调制深度为97.4%,上升沿时间为8.0微秒,下降沿时间为7.6微秒,脉冲宽度为12.6微秒,符合协议规定。

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图5-9:PR-ASK射频包络实测信号

  密集阅读器模式频谱测试的目的是测量阅读器信号的频谱构成,在密集阅读器模式下,应用环境中将有多个阅读器在不同的信道上同时通讯,因此要求每个阅读器只能占用自己的信道,发射信号在该信道以外的功率应该足够小,否则可能干扰相邻信道阅读器的正常通讯。密集阅读器模式频谱在第1、2、3邻道的抑制比需要分别达到-30、-60、-65dBch,如图5-10所示:

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图5-10:密集阅读器模式频谱模板

  测试过程中,RFID阅读器协议一致性测试系统接收被测阅读器发送的指令,并计算一段Select指令的信号频谱,与标准的频谱模板进行比较。实测信号如图5-11所示,被测阅读器采用数据位长度25微秒的信号,相应信道宽度为100kHz,频谱未超出模板的限制,符合协议规定。

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图5-11:密集阅读器模式频谱实测信号

  EPC UHF Class 1 Gen 2标准RFID阅读器协议一致性协议层测试项目如表5-4所示,主要为各个链接时间的测量。测试过程中,RFID阅读器协议一致性测试系统接收被测阅读器发送的指令,并根据测试需求返回相应的应答信号,类似于标签测试中的链接时间测试,故不再单独举例:

测试规范序号协议层测试项目测试点数

70链接时间T22

70链接时间T32

70链接时间T42

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