什么是RFID？如何才能开发RFID测试平台？

什么是RFID？怎么才能开发RFID测试平台？

李如昊

2019-8-2 15:53:41

射频识别(RFID)是一项自动识别技术，许多主要的生产厂商与标准化组织也都陆续针对超高频(UHF)频带推出各式各样的标准与协议。但因为UHF技术相当复杂，所以还是有很多问题，例如让人眼花缭乱的标准与协议，以及错综复杂的RF参数测量。这些问题会造成RFID产品彼此不兼容，同时支持新协议的自定义功能。因此必须搭建兼容所有标准的通用测试平台，替RFID生产商降低测试成本。
RFID系统的运作原理
完整的RFID系统包含RW、标签与其它外围模块。用于标签的RW辨识结果会通过网络与电脑分享，并且储存在资料库中以便查询。图1为RFID系统的运作原理。系统运作时，RW会在特定频率的载波上针对要传输的数据加以编码与调制，接着通过天线传送，产生一个电磁场。至于较远距离的通信，则是主要把背向散射用于UHF，进而在RW与标签之间传输能源。

图1. 标准RFID系统的运作原理
一旦标签进入RW的电磁场范围，其电路就会解调来自RW的指令信号、解码指令数据、处理数据、按照控制器的指示来启动传输电路，并且将特定的回应资料编码至前馈载波，而前馈载波又会背向散射至RW。RW会通过接受天线采集反应信号，把信号提供给接收端的处理元件加以解调与解码，接着检查数据并执行磁场长度分析。最后标签信息会传送到上端电脑的数据库，储存起来以便日后查询。
实验原理
随着通信速度与数据读取速度等RFID需求持续增加，RFID系统内标签与读取器之间的通信时序规格也达到了厘米单位。各式各样的RFID协议造成了相关调变/解调参数、编码/解码方法、反冲击演算法、指令与相应框架架构、指示集之间的歧义。采用传统仪器构建的测试系统会需要即时频率频谱分析仪、矢量信号发生器、矢量网络分析仪与其他元件，才能产生激发矢量以便进行测试。此外还需建立待测元件(UUT)的通信通道，同时在RFID系统内采集这些元件的反射信号。这项电流测试系统可以根据RFID协议中一部分的物理参数，完成相关的测试与分析作业。然而，此系统无法提供可满足协议需求的时序，也无法执行符合协议需求的测试，更不能支持多重协议标准。
SDR架构的测试系统可让用户轻松设定自己的测试系统，以便满足不断变化的测试需求，还能提供更好操作的人机界面(HMI)。由于虚拟仪器的灵活性与扩展性能非常优异，所以该系统可以满足各种应用的升级需求，不必大幅更换硬件。这样一来系统本身即可处理多种新兴的通信协议，可说是RFID系统设计的最佳选择。

射频识别(RFID)是一项自动识别技术，许多主要的生产厂商与标准化组织也都陆续针对超高频(UHF)频带推出各式各样的标准与协议。但因为UHF技术相当复杂，所以还是有很多问题，例如让人眼花缭乱的标准与协议，以及错综复杂的RF参数测量。这些问题会造成RFID产品彼此不兼容，同时支持新协议的自定义功能。因此必须搭建兼容所有标准的通用测试平台，替RFID生产商降低测试成本。
RFID系统的运作原理
完整的RFID系统包含RW、标签与其它外围模块。用于标签的RW辨识结果会通过网络与电脑分享，并且储存在资料库中以便查询。图1为RFID系统的运作原理。系统运作时，RW会在特定频率的载波上针对要传输的数据加以编码与调制，接着通过天线传送，产生一个电磁场。至于较远距离的通信，则是主要把背向散射用于UHF，进而在RW与标签之间传输能源。

图1. 标准RFID系统的运作原理
一旦标签进入RW的电磁场范围，其电路就会解调来自RW的指令信号、解码指令数据、处理数据、按照控制器的指示来启动传输电路，并且将特定的回应资料编码至前馈载波，而前馈载波又会背向散射至RW。RW会通过接受天线采集反应信号，把信号提供给接收端的处理元件加以解调与解码，接着检查数据并执行磁场长度分析。最后标签信息会传送到上端电脑的数据库，储存起来以便日后查询。
实验原理
随着通信速度与数据读取速度等RFID需求持续增加，RFID系统内标签与读取器之间的通信时序规格也达到了厘米单位。各式各样的RFID协议造成了相关调变/解调参数、编码/解码方法、反冲击演算法、指令与相应框架架构、指示集之间的歧义。采用传统仪器构建的测试系统会需要即时频率频谱分析仪、矢量信号发生器、矢量网络分析仪与其他元件，才能产生激发矢量以便进行测试。此外还需建立待测元件(UUT)的通信通道，同时在RFID系统内采集这些元件的反射信号。这项电流测试系统可以根据RFID协议中一部分的物理参数，完成相关的测试与分析作业。然而，此系统无法提供可满足协议需求的时序，也无法执行符合协议需求的测试，更不能支持多重协议标准。
SDR架构的测试系统可让用户轻松设定自己的测试系统，以便满足不断变化的测试需求，还能提供更好操作的人机界面(HMI)。由于虚拟仪器的灵活性与扩展性能非常优异，所以该系统可以满足各种应用的升级需求，不必大幅更换硬件。这样一来系统本身即可处理多种新兴的通信协议，可说是RFID系统设计的最佳选择。

高文利

2019-8-2 15:53:43

RFID测试系统的硬件平台
这款测试系统采用了NI的模块化设备。NI PXIe-5641R RIO IF收发器加上NI PXI-5610信号发生器，组成了RF信号传输器，可以把基频信号转换为RF信号（图2）。嵌入式控制器能够协调不同的模板，还有一些非即时的事件操作项目。机箱背板上的PXI总线则可在不同的板卡之间高速传输数据。

图2. 硬件组件说明

图3. 测试系统的硬件连接方式
这款测试系统的主要功能之一，就是把通用的FPGA当做基频处理器，取代传统系统内的矢量信号发生器与矢量信号分析仪。 FPGA的优势加上实时信号处理功能，有助于提高测试速度。同时，FPGA编程的灵活性可以快速响应新协议的测试需求。

图4. 采用虚拟仪器的RFID系统构架
如图4所示，控制器与FPGA之间的界面主要用来执行响应、指令与某些协议参数。 FPGA的主要功用则是建立信号、分析信号的即时接受与反馈，其中包含实体的收发器通道。 RF板卡可提供待测标签给RF界面，同时提供IF收发器给IF信号界面。系统功能的层级分布测试系统分为两个层级： FPGA平台与主机平台(如图表所示)。主机电脑平台负责控制硬件、管理测试流程、处理非即时信号与使用界面。 FPGA平台则是包含了实体的传输与接收路线，以及衔接主机电脑的界面。

图5. 软件架构与数据流
如果想要设计主机平台，必须考虑到不同模块与用户界面操作功能之间的协调性。为了满足各式各样的标准与协议项目，测试系统会读取特定的数据档案，进而实现所有类型的协议指令。只要修改指令文档的数据，用户就能自定义协议内容。图6为该测试系统的用户界面。测试系统的所有功能与分析结果都会直接显示在这个界面上。

图6. 用户界面
该系统可以测试自定义协议与18000-6C协议，还可以设定所有的参数。图7为FPGA平台架构。

图7. FPGA平台结构框图

测试结果

标签协议的一致性测试还可以进一步分成单一标签测试、多标签测试与RF参数测试。单一标签测试主要用来检验标签的RW操作，以及不同标签状态的切换是否正确。多标签测试则可检验协议的反冲撞演算法，以及多重标签的识别效率。

所有的测试结果都指出，该测试系统的一般运作状况良好，每一项功能指数都能够符合需求。此系统可针对ISO18000-6C与多种自定义协议执行一致性测试与物理参数测试。测试距离最远可达3米，传输功率为20dBm，接收分辨率则是-10dBm。
总结：

"FPGA的优势加上实时信号处理功能，有助于提高测试速度。同时，FPGA编程的灵活性可以快速响应新协议的测试需求。"

挑战:

错综复杂的UHF技术(包含各种标准与协议)与RF参数测量，造成RFID产品彼此不兼容，同时带来了巨大的测试挑战。

解决方案:

使用虚拟仪器技术，搭配数字信号处理技术，最后以NI的软件定义无线电(SDR)为基础，打造出通用的多重协议UHF RFID测试平台。此平台适用于所有RFID标准的即时测试作业，同时支持新协议的自定义功能。
作者信息:
Chun Zhang Institute of Microelectronics, Tsinghua University

李英健

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李如昊

高文利

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