RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)（二） - 全文

　　3. RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　軟件無線電這一關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，使得RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)能夠突破傳統(tǒng)儀器受專有硬件限制的局限性，在標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、層次化的體系結(jié)構(gòu)上滿足一致性測試的需求。RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)分為硬件層和軟件層，硬件層即根據(jù)具體的測試需要，選取適合的模塊化硬件而構(gòu)成，軟件層主要包括RFID協(xié)議仿真軟件，RFID協(xié)議一致性測試軟件和自動化測試管理軟件。

　　3.1 RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的硬件構(gòu)架

　　RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的硬件構(gòu)架如圖3-1所示：

　　圖3-1：軟件無線電的RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)

　　該系統(tǒng)具有非常簡潔的系統(tǒng)構(gòu)架，嵌入式主控制器、FPGA基帶處理器、射頻下變頻器和射頻上變頻器等模塊化硬件通過PXI或PXI Express開放高速總線交換數(shù)據(jù)及指令，射頻模塊之間通過射頻電纜傳輸中頻信號，并提供與RFID被測單元之間的射頻信號接口。

　　FPGA基帶處理器用于建立RFID無線通訊，主控制器用于信號的后續(xù)分析和測試流程的控制。測試過程中主控制器發(fā)送指令給各功能模塊，基帶處理器由FPGA實(shí)時生成RFID基帶IQ信號，再通過板載DUC以及DAC轉(zhuǎn)化為中頻信號，傳送給射頻上變頻器調(diào)制在射頻載波上經(jīng)電纜或天線發(fā)送給RFID被測單元。從被測單元返回的信號經(jīng)射頻下變頻器轉(zhuǎn)化為中頻信號后傳送給基帶處理器，通過板載ADC以及DDC轉(zhuǎn)化為數(shù)字基帶IQ信號，最后通過總線送至主控制器進(jìn)行物理層和協(xié)議層各項(xiàng)參數(shù)的分析。

　　RFID協(xié)議一致性測試的基本方式為通過電纜進(jìn)行測試，而通過天線的測試方式主要應(yīng)用于性能測試場合，故測試天線以及電波暗室等要素將不列入RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的基本構(gòu)架。

　　3.2 RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的軟件構(gòu)架

　　RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的軟件構(gòu)架如圖3-2所示，自硬件驅(qū)動層之上，分別在FPGA開發(fā)環(huán)境和HOST開發(fā)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)RFID協(xié)議仿真，RFID協(xié)議一致性測試和自動化測試管理。

　　圖3-2：RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)軟件構(gòu)架

　　RFID協(xié)議仿真層是整個RFID協(xié)議一致性測試的基礎(chǔ)，主要利用FPGA的實(shí)時處理能力，仿真實(shí)現(xiàn)各種RFID協(xié)議的通訊過程，如編碼、解碼，指令構(gòu)造和解析，協(xié)議狀態(tài)跳轉(zhuǎn)等核心功能。RFID協(xié)議一致性測試層則根據(jù)測試規(guī)范的規(guī)定，實(shí)現(xiàn)每一個測試項(xiàng)目的具體步驟，所有的功能模塊由最上層的自動化測試管理層進(jìn)行統(tǒng)一的控制和調(diào)用。

　　雖然不同RFID協(xié)議之間的具體實(shí)現(xiàn)方式都不盡相同，但得益于軟件無線電技術(shù)的高度靈活性，軟件開發(fā)過程中可以進(jìn)行層次化、模塊化的封裝，將對不同RFID協(xié)議的支持很好的整合在一起，并且為將來可能擴(kuò)展的新標(biāo)準(zhǔn)提供接口。

　　4. RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)

　　在確定了RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的總體構(gòu)架之后，我們可以借助于儀器制造商提供的成熟軟、硬件產(chǎn)品，來具體設(shè)計(jì)RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的一個實(shí)例。一個完整的RFID系統(tǒng)由記錄了識別信息的電子標(biāo)簽和能夠與標(biāo)簽之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的閱讀器組成，RFID協(xié)議一致性測試也相應(yīng)的分為兩部分，即標(biāo)簽的一致性測試和閱讀器的一致性測試。兩者之間既有共性也有差異，以下我們首先介紹共有的硬件層設(shè)計(jì)，再根據(jù)不同的功能實(shí)現(xiàn)來分別介紹軟件層設(shè)計(jì)及其余特性。

　　硬件層設(shè)計(jì)采用PXI / PXI Express開放高速總線為基礎(chǔ)，配合支持該總線標(biāo)準(zhǔn)的模塊化硬件來實(shí)現(xiàn)RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能。以模塊化儀器的倡導(dǎo)者之一美國國家儀器為例，可選用的模塊化硬件如下：嵌入式主控制器PXIe-8108，F(xiàn)PGA基帶處理器PXIe-5641R，射頻下變頻器PXI-5600，射頻上變頻器PXI-5610，由此我們可以得到RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的一個具體設(shè)計(jì)，如圖4-1所示：

　　圖4-1：RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)硬件層的具體設(shè)計(jì)

　　4.1 RFID標(biāo)簽協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)

　　當(dāng)被測單元為RFID標(biāo)簽時，F(xiàn)PGA基帶處理器需要被配置為RFID閱讀器仿真模式，與被測標(biāo)簽建立通訊，并配合主控制器完成各項(xiàng)測試工作。RFID標(biāo)簽協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的具體功能實(shí)現(xiàn)如圖4-2所示，其中括號中為以EPC UHF Class 1 Gen 2協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)為例的具體算法：

　　圖4-2：RFID標(biāo)簽協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　在軟件的設(shè)計(jì)中，仍然采用模塊化的層次結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PGA層次主要完成符合RFID協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的狀態(tài)機(jī)，以及相應(yīng)的實(shí)時信號處理功能，在此不再詳述。HOST層次又劃分為多個功能模塊：硬件控制、物理層測試、協(xié)議層測試和流程管理。

　　其中，硬件控制模塊實(shí)現(xiàn)對模塊化硬件的控制，包括硬件的配置、觸發(fā)采集等；物理層測試模塊實(shí)現(xiàn)對信號的物理參數(shù)測試，包括時、頻、調(diào)制域的各種測量分析；協(xié)議層測試模塊實(shí)現(xiàn)對信號的協(xié)議參數(shù)測試，包括數(shù)據(jù)分析，幀結(jié)構(gòu)分析等。流程管理模塊則與專業(yè)自動化測試流程管理軟件（例如TestStand）配合，實(shí)現(xiàn)對RFID協(xié)議一致性測試項(xiàng)目的管理，以及測試報(bào)告的生成等。RFID標(biāo)簽協(xié)議一致性測試軟件的示例如圖4-3所示：

　　圖4-3：RFID標(biāo)簽協(xié)議一致性測試軟件界面

　　在RFID無線通訊中，標(biāo)簽的后向散射信號（Backscatter）是較為特殊的，它不同于傳統(tǒng)的ASK或PSK信號，而是兩者的結(jié)合，因此對后向散射信號的正確解析，也是RFID標(biāo)簽協(xié)議一致性測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中需要特別關(guān)注的一個問題。

　　圖4-4：后向散射信號和傳統(tǒng)ASK、PSK信號的Smith圖

　　后向散射信號的特性，與RFID標(biāo)簽的物理實(shí)現(xiàn)有著密切的關(guān)聯(lián)。RFID標(biāo)簽工作時，由天線收集電磁波，經(jīng)過內(nèi)部芯片的處理后，再以特定的方式將電磁波向原發(fā)射方反射，數(shù)據(jù)的傳遞則依賴于RFID標(biāo)簽在兩個不同的阻抗?fàn)顟B(tài)之間快速切換，以此產(chǎn)生變化的電磁波反射。通常每個狀態(tài)的阻抗都同時具有實(shí)部和虛部，實(shí)部和虛部的分布還會隨工作頻率的變化而變化，這樣后向散射信號就會在幅度和相位上都發(fā)生改變，成為ASK和PSK結(jié)合的信號。后向散射信號的處理算法是RFID標(biāo)簽協(xié)議一致性測試的保證，也是更多高級測試，如⊿RCS等的基礎(chǔ)。對于后向散射信號，可以采用改進(jìn)的PSK解調(diào)算法，如圖4-5所示：

　　圖4-5：后向散射信號的處理

　　4.2 RFID閱讀器協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)

　　當(dāng)被測單元為RFID閱讀器時，F(xiàn)PGA基帶處理器需要被配置為RFID標(biāo)簽仿真模式，與被測閱讀器建立通訊。在RFID閱讀器協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)中，與標(biāo)簽測試所具有的共性就不再復(fù)述，本節(jié)中主要專注于RFID閱讀器測試所特有的功能實(shí)現(xiàn)。

　　RFID閱讀器協(xié)議一致性測試的最大不同在于通訊過程的主導(dǎo)性，由于絕大多數(shù)RFID協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)都定義為ITF（Interrogator Talk First），即閱讀器先發(fā)信號模式，在與標(biāo)簽通訊的過程中，閱讀器占有主導(dǎo)地位，能夠主動的控制通訊的參數(shù)和流程。在進(jìn)行RFID閱讀器協(xié)議一致性測試時，測試系統(tǒng)需要根據(jù)接收到的閱讀器指令，來返回特定的標(biāo)簽信號，而不可能通過通訊信號來直接控制被測閱讀器的狀態(tài)。因此，閱讀器的測試與標(biāo)簽的測試相比，具有一定的不可預(yù)見性，即不能夠保證每一次通訊取得的信號都正好是測試所需的。

　　這里我們將引入一個針對RFID閱讀器協(xié)議一致性測試的新功能，即信號的實(shí)時流盤。所謂實(shí)時流盤技術(shù)是持續(xù)的采集通訊過程中的信號并不間斷的記錄下來，以供信號分析和測試軟件提取所需的信號片段，如圖4-6所示。實(shí)時流盤的關(guān)鍵在于保證信號的不遺漏，這就要求系統(tǒng)能夠支持足夠高的數(shù)據(jù)傳輸數(shù)率，并且擁有足夠大的數(shù)據(jù)存儲容量。得益于PXI / PXI Express開放高速總線的高帶寬，以及基于計(jì)算機(jī)磁盤的高密度存儲技術(shù)，實(shí)時流盤功能也得以輕松實(shí)現(xiàn)。值得一提的是，在實(shí)時流盤軟件的具體設(shè)計(jì)中，軟件本身的執(zhí)行效率也是最關(guān)重要的，需要進(jìn)行專門的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　圖4-6：實(shí)時流盤技術(shù)

　　另一方面，通訊過程的主導(dǎo)性問題還可以通過在RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)和被測閱讀器之間增加額外的通訊鏈路的方式來解決，如串口、USB或局域網(wǎng)。絕大多數(shù)閱讀器都提供了以上一種或多種控制接口，在測試過程中，測試系統(tǒng)可以通過通訊接口給被測閱讀器發(fā)送控制指令，使之發(fā)射所需的射頻信號并進(jìn)入預(yù)期的測試狀態(tài)。但該方案在具體實(shí)現(xiàn)上仍然存在不可忽略的問題，即目前的閱讀器所提供的控制接口千差萬別，并未形成一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)對每一種閱讀器的控制幾乎是不可能的。幸運(yùn)的是，為解決該問題，目前已有部分的國家和組織開始了閱讀器控制接口標(biāo)準(zhǔn)的制訂工作。

　　RFID閱讀器協(xié)議一致性測試的另一個不同之處在于，標(biāo)簽信號的生成。如前所述，真實(shí)的RFID標(biāo)簽通過在兩個不同的阻抗?fàn)顟B(tài)之間快速切換來產(chǎn)生后向散射信號。對于測試系統(tǒng)來說，如果希望仿真一個真實(shí)的通訊過程，就不能夠直接通過射頻上變頻器來給被測閱讀器發(fā)送射頻信號，而是需要通過某種方式來產(chǎn)生一個向散射信號。事實(shí)上，在眾多RFID協(xié)議一致性測試規(guī)范中，也定義了阻抗切換模塊來完成該功能，例如在ISO 18047-6規(guī)范中的定義如圖4-7所示：

　　圖4-7：ISO 18047-6定義的標(biāo)簽模擬器

　　在RFID閱讀器協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)中，我們可以利用FPGA基帶處理器的輸出，直接驅(qū)動外置的阻抗切換模塊，反射來自閱讀器的電磁波，仿真一個真實(shí)RFID標(biāo)簽的工作。