徐　衛(wèi)

（成都天奧測控技術(shù)有限公司，成都　611731）

一種手持式超高頻RFID讀寫器檢測儀的設(shè)計

徐衛(wèi)

（成都天奧測控技術(shù)有限公司，成都611731）

射頻識別（RFID）技術(shù)隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起而得到迅速發(fā)展，超高頻RFID技術(shù)因其識別距離遠、識別速度快、有較強的防碰撞能力而被廣泛應(yīng)用；與RFID技術(shù)相比，RFID測試技術(shù)相對比較滯后，RFID測試還主要是基于參考標(biāo)簽或參考讀寫器的定性測試；為了實現(xiàn)RFID讀寫器的射頻參數(shù)和協(xié)議一致性的定量測試，設(shè)計了一種基于射頻處理和軟件無線電（SDR）的超高頻RFID讀寫器檢測儀；該檢測儀屬于手持式設(shè)備，體積小、功耗低、重量輕、功能強大、且操作簡便，滿足超高頻RFID讀寫器批量生產(chǎn)和現(xiàn)場保障的測試需求。

手持式；檢測儀；RFID；超高頻

0　引言

超高頻RFID技術(shù)是利用超高頻電磁信號傳輸特性和空間耦合原理實現(xiàn)信息傳遞和自動識別的技術(shù)［1，2］，目前正被廣泛應(yīng)用于倉儲、物流、機場、商場、工業(yè)自動化控制、人員管理、安防、野生動物管理等眾多領(lǐng)域［3］。測試技術(shù)是RFID技術(shù)應(yīng)用不可或缺的一個環(huán)節(jié)，RFID測試技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)［4-5］的發(fā)展已經(jīng)遠遠落后于RFID其它技術(shù)分支的發(fā)展，目前用于解決RFID讀寫器測試的方案主要有：

1）采用參考標(biāo)簽和讀寫器通信的方式，判斷讀寫器的好壞。

2）采用第三方儀器通過監(jiān)聽參考標(biāo)簽和讀寫器通信來分析讀寫器的射頻參數(shù)。

3）采用矢量信號發(fā)生器取代參考標(biāo)簽，給被測讀寫器發(fā)送激勵信號，同時通過數(shù)字觸發(fā)啟動矢量信號分析儀或?qū)崟r頻譜儀［6］采集分析。

4）采用基于FPGA基帶處理配合射頻前端處理，實現(xiàn)RFID信號激勵和測量。

第一種方案是對被測讀寫器進行定性測試，實現(xiàn)簡單，測試成本低，但僅能夠判斷好壞；第二種方案對被測讀寫器的射頻參數(shù)有一定的定量測試，測試成本適中，但實現(xiàn)比較復(fù)雜；第3種方案能夠?qū)Ρ粶y讀寫器進行部分定量測試，但實現(xiàn)較復(fù)雜，測試成本很高；第4種方案能夠?qū)Ρ粶y讀寫器的射頻參數(shù)和協(xié)議一致性進行定量測試，實現(xiàn)較復(fù)雜，測試成本適中。

手持式超高頻RFID讀寫器檢測儀（簡稱：RFID檢測儀）基于上述第4種方案設(shè)計，采用超高頻射頻收發(fā)技術(shù)和基帶處理技術(shù)，在模擬標(biāo)簽功能實現(xiàn)與讀寫器通信的基礎(chǔ)上完成超高頻RFID協(xié)議一致性測試和射頻參數(shù)測試，RFID檢測儀的工作原理［7］框圖如圖1所示。

圖1　RFID檢測儀工作原理框圖

1　硬件設(shè)計

RFID檢測儀的硬件架構(gòu)采用通用軟件無線電架構(gòu)，硬件系統(tǒng)是由射頻收發(fā)單元、基帶處理單元、人機交互單元、系統(tǒng)供電單元和手持式結(jié)構(gòu)件組成。硬件的每個組成單元都采用獨立模塊設(shè)計，在一定程度上降低電路的耦合度和信號串?dāng)_。射頻收發(fā)單元和基帶處理單元之間的基帶信號采用射頻連接器（SMA）連接以保證信號傳輸質(zhì)量。作為一款手持式設(shè)備，功耗設(shè)計在整個硬件設(shè)計過程中都尤為重要，因此在保證各電路單元工作可靠的前提下，硬件電路結(jié)構(gòu)力求簡化，器件選型盡量采用高性能、低功耗的器件。

1.1射頻收發(fā)單元

射頻收發(fā)單元負責(zé)實現(xiàn)基帶信號和超高頻信號（840～845 MHz和920～925 MHz）之間的轉(zhuǎn)換，電路由檢測天線、環(huán)形器、接收鏈路、發(fā)射鏈路和本振電路組成［8］，其結(jié)構(gòu)框圖參見圖2a）。射頻收發(fā)采用共用天線，通過環(huán)形器來實現(xiàn)收發(fā)信號的隔離，環(huán)形器的隔離度決定發(fā)射端載波信號泄露到接收端的程度。設(shè)計選用泰格微波公司的TGH2142-A1，該器件體積小，隔離度可達23 dB。本振電路通過功率分配器同時為射頻收發(fā)鏈路提供混頻用的本振信號，其設(shè)計基于數(shù)字分頻技術(shù)和鎖相環(huán)技術(shù)，由參考晶振、鑒相器、三階無源環(huán)路濾波、壓控振蕩器（VCO）和程控分頻器等部分組成，頻率穩(wěn)定度可達0.1 ppm。

檢測天線接收到被測讀寫器發(fā)送的無線RFID信號，經(jīng)環(huán)形器送至射頻接收鏈路；隨后信號經(jīng)放大、混頻、濾波等處理下變頻至基帶信號并送至基帶處理單元。由于測試距離會影響輸入射頻端口信號的功率大小，所以在接收鏈路入口采用限幅器進行限幅處理，將功率控制在0 dBm以內(nèi)，以保證后續(xù)電路的安全。同時為了保證輸入ADC的信號電平在線性有效的范圍之內(nèi)，使用耦合電路、檢波電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換實現(xiàn)對輸入功率的檢測。當(dāng)檢測到接收信號超過設(shè)定閥值，將放大鏈路切換到直通通路，反之，則切換到放大通路?；祛l電路將接收超高頻射頻信號下變頻至55 MHz中頻信號，該中頻信號經(jīng)過55 MHz±3 MHz的帶通濾波進行信號的提純，最后進行信號的補償放大。

圖2　射頻與中頻處理單元結(jié)構(gòu)框架

從基帶處理單元輸出的中頻發(fā)射信號送至射頻接收鏈路，隨后信號經(jīng)過濾波、混頻、放大等處理上變頻至用于發(fā)射的射頻信號，最后經(jīng)環(huán)形器由檢測天線發(fā)送出去。發(fā)射鏈路中濾波電路的設(shè)計與接收鏈路原理一致，不同之處在于中心頻率為35 MHz；混頻電路的作用則相反，用于把基帶信號上變頻至射頻發(fā)送信號，實現(xiàn)的原理是一致。

1.2基帶處理單元

基帶處理單元主要是由基帶接收支路、基帶發(fā)射支路和RFID信號與協(xié)議處理單元組成，硬件電路框架參見圖2b）。RFID信號與協(xié)議處理單元使用一片Xilinx公司的Virtex-4系列FPGA，型號為XC4VSX55，該FPGA芯片具有豐富的數(shù)字信號處理單元，支持最大處理速度在200 MHz以上。為了增加RFID協(xié)議處理過程的內(nèi)存容量，F(xiàn)PGA外圍增加兩片128 Mbits的SDRAM。

基帶接收支路采用凌力爾特公司的14位、采樣速率為125 MSPS的ADC芯片LTC2254。該芯片采用差分信號輸入模式，在正常工作時，其功耗僅為395 mW，信噪比優(yōu)于72 d B，無雜散動態(tài)范圍可達85 d BRS?；鶐Оl(fā)射支路采用模擬器件公司的14位、采樣速率為300MSPS的DAC芯片AD9755 AST，用以產(chǎn)生中心頻率為35 M Hz、帶寬為5 MHz的中頻信號。在輸出35 MHz信號時，該芯片的無雜散動態(tài)范圍可達70 dBRS，且其功耗僅為155 mW。

1.3人機交互單元

人機交互單元主要實現(xiàn)檢測儀的參數(shù)獲取與處理、外部操作輸入和檢測結(jié)果輸出顯示。核心處理采用德州儀器（TI）基于ARM［9］Cortex-A8內(nèi)核的工業(yè)級嵌入式微處理器AM335X。該處理器最高主頻可以達720MHz，二級高速緩存，帶24位LCD控制器和觸摸屏控制器，支持WinCE、Linux等多種嵌入式操作系統(tǒng)。外部操作輸入包括按鍵以及USB鼠標(biāo)接口等；結(jié)果輸出顯示部分包括顯示屏電路、指示燈、USB存儲器接口（用于數(shù)據(jù)導(dǎo)出）等。

1.4系統(tǒng)供電單元

系統(tǒng)支持外部直流電源28 V輸入和高容量鋰電池兩種供電方式，在選用外部直流電源輸入時，除為系統(tǒng)供電外，同時也為鋰電池充電。電源設(shè)計提供充足的濾波電路，同時設(shè)計有短路保護、過流保護和電池過放電告警等附屬電路。為了提高電源轉(zhuǎn)換效率，供電電路盡量采用DC-DC轉(zhuǎn)換電路，少用LDO降壓。對于手持設(shè)備來說，除了整個設(shè)備的低功耗設(shè)計外，電池容量的選擇也極為重要。RFID檢測儀正常工作時，各硬件部分的功耗羅列如下：射頻收發(fā)單元的平均功耗為4.7 W，中頻處理單元的平均功耗為3.1 W，人機交互單元平均功耗為2.7 W，電源電路的轉(zhuǎn)化效率為90%；整機平均功耗為：

P總=（4.7 W+3.1 W+2.7W）/90%≈11.67 W

要滿足電池供電時正常工作時間大于6小時的技術(shù)要求，電池容量必須大于70.02WH。設(shè)計選用7AH@DC11.1V的鋰電池供電，其理論正常工作時長約6.65小時。在待機狀態(tài)下，RFID檢測儀將臨時關(guān)閉射頻收發(fā)單元和基帶處理單元，并置人機交互單元為待機模式，此時整機功耗約為3.3 W，理論工作時長近24小時。

1.5手持式結(jié)構(gòu)件

手持式結(jié)構(gòu)設(shè)計是在保證滿足整機的電磁兼容要求、可靠性和抗震等環(huán)境適應(yīng)性要求的基礎(chǔ)上，將各組成單元有機地組合起來。結(jié)構(gòu)主要可分為上、下兩個結(jié)構(gòu)件，功能模塊電路板處在上下結(jié)構(gòu)件之間，上下結(jié)構(gòu)件接觸面安裝導(dǎo)電橡膠條，起到電磁屏蔽的作用。上結(jié)構(gòu)件包含組合按鍵、顯示屏及其驅(qū)動附屬電路板等組件；下結(jié)構(gòu)件的側(cè)面包含了天線接口（SMA）、USB接口（Micro-USB）和電源接口，其底面腔體用于放置電池，電池外使用電池蓋保護。

2　RFID協(xié)議處理

RFID信號與協(xié)議處理［10］，是在FPGA中實現(xiàn)被測讀寫器的射頻參數(shù)測試和協(xié)議一致性測試。測試內(nèi)容涵蓋打開關(guān)閉載波和通信過程中的時域參數(shù)（建立時間、關(guān)閉時間、穩(wěn)定時間、紋波、占空比）、通信調(diào)制參數(shù)（調(diào)制方式：DSB-ASK、BPSK，DSB-ASK的調(diào)制深度、BPSK的EVM值）、頻域參數(shù)（工作頻率、頻率準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度、功率、占用帶寬、臨信道功率抑制比）、通信編碼參數(shù)（前導(dǎo)碼、校驗方式、編碼結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)速率、反向鏈路頻率）和連接定時參數(shù)［11］（T1～T4）。從設(shè)計結(jié)構(gòu)上，RFID信號與協(xié)議處理主要包括接收鏈路層處理、信息處理狀態(tài)機、發(fā)送鏈路層處理三部分。

2.1接收鏈路層處理

接收鏈路層接收并分析被測讀寫器發(fā)送過來的攜帶命令參數(shù)的射頻信號，并觸發(fā)信息處理狀態(tài)機讀取測試參數(shù)，具體處理流程設(shè)計見圖3。

圖3　接收鏈路協(xié)議流程

在讀寫器的測試中，首先需要考慮的是RFID檢測儀與被測讀寫器的工作頻率問題。按照超高頻RFID通信協(xié)議［11］要求，800 MHz和900 M Hz頻段各有20個信道，每個信道的帶寬為250 k Hz。通過設(shè)置射頻本振來其確定工作頻段，而工作信道的確定是通過一個掃描狀態(tài)機以250 k Hz為間隔不斷設(shè)置數(shù)字本振，然后通過采集中頻信號并計算最大功率而實現(xiàn)的。在確定工作信道的過程中，信號經(jīng)過數(shù)字混頻變成零中頻數(shù)字信號；經(jīng)過數(shù)字下變頻，進一步降低了信號的采樣率和信號分析帶寬；最后通過短時FFT運算最終得到其工作頻率值。其中，數(shù)字下變頻器的設(shè)計是關(guān)鍵，它是由6級級聯(lián)積分梳狀濾波器、3級半帶濾波器和補償濾波器級聯(lián)實現(xiàn)的。級聯(lián)積分梳狀濾波器的抽取因子可為2～128之間的整數(shù)，與抽取因子1～8的3級半帶濾波器組合，可以實現(xiàn)1/1 024 fs～0.5 fs采樣率變化。

下變頻后的信號經(jīng)包絡(luò)檢波后進行前導(dǎo)碼檢測，測定前導(dǎo)符1與前導(dǎo)符2的時間值，并由此確定基準(zhǔn)時間TC；同時，對包絡(luò)檢波后的數(shù)據(jù)計算其調(diào)制深度。然后根據(jù)基準(zhǔn)時間TC確定后續(xù)序列的脈沖間隔時間，并通過確定其與TC之間的關(guān)系進行二進制判決（TPP譯碼）。解碼后的二進制序列進入序列檢測環(huán)節(jié)，得出結(jié)果序列和長度；最后對檢測后數(shù)據(jù)系列進行CRC校驗。

2.2信息處理狀態(tài)機

信息處理狀態(tài)機負責(zé)處理接收鏈路層發(fā)送的命令和參數(shù)信息，并將有關(guān)測試結(jié)果的信息后上傳至人機交互單元。同時，根據(jù)接收到被測讀寫器的命令和參數(shù)信息，結(jié)合自身所處的工作狀態(tài)，生成用于和被測讀寫器進一步通信所需要回復(fù)的命令和參數(shù)信息，并保持或切換至下一個工作狀態(tài)。信息處理狀態(tài)機包含就緒、仲裁、應(yīng)答、確認、開放、保護和殺死7種工作狀態(tài)，初始狀態(tài)為“就緒狀態(tài)”。

2.3發(fā)送鏈路層處理

發(fā)送鏈路層根據(jù)信息處理狀態(tài)機確定的信息，經(jīng)過一系列處理后生成與被測讀寫器通信的發(fā)送序列，讀寫器接收、分析RFID檢測儀回傳的信號并做出相應(yīng)的反應(yīng)，用戶可以通過讀寫器的反應(yīng)來推算被測讀寫器對不同激勵信號的響應(yīng)能力。發(fā)送鏈路層的具體處理流程設(shè)計見圖4。

圖4　發(fā)送鏈路處理流程

決定發(fā)送序列內(nèi)容信息包括目前RFID檢測儀所處狀態(tài)、被測讀寫器發(fā)送的命令信息、鏈路頻率、CRC校驗方式、編碼方式和調(diào)制方式等。發(fā)送序列的鏈路頻率，就是反向鏈路頻率，它是根據(jù)讀寫器的鏈路頻率按照協(xié)議公式計算而來。編碼方式包括FM0和米勒兩種編碼方式，根據(jù)不同編碼方式給發(fā)送序列增加不同的前導(dǎo)符和結(jié)束符，并對其進行FM0或米勒編碼。調(diào)制方式包括DSB-ASK和BPSK，RFID檢測儀根據(jù)被測讀寫器要求的調(diào)制方式對編碼后的序列進行星座映射：將符號1映射為幅度為1的脈沖，符號0映射為幅度為0（DSBASK）或者是-1（BPSK）的脈沖。經(jīng)過處理后的發(fā)送序列通過脈沖整形限制其傳輸帶寬，最后通過數(shù)字上變頻，輸出給基帶發(fā)送支路。

3　軟件設(shè)計

3.1軟件平臺與總體設(shè)計

軟件運行的平臺采用WinCE6.0嵌入式操作系統(tǒng)，并選用嵌入WinCE6.0插件的Microsoft Visual Studio2008作為軟件設(shè)計平臺。應(yīng)用軟件設(shè)計實現(xiàn)采用C++語言來完成，硬件底層驅(qū)動軟件采用C語言。軟件采用分層次軟件架構(gòu)設(shè)計，包括嵌入式操作系統(tǒng)、底層驅(qū)動軟件、人機交互軟件3個層次，結(jié)構(gòu)簡單，層次清晰。

3.2底層驅(qū)動軟件設(shè)計

底層驅(qū)動軟件主要實現(xiàn)人機交互軟件與RFID信號與協(xié)議處理單元（FPGA）之間數(shù)據(jù)交互的接口驅(qū)動。驅(qū)動軟件按照外部RAM讀寫方式直接存取FPGA寄存器，并以消息隊列的方式通知人機操作軟件。由于FPGA接口數(shù)據(jù)流較少，驅(qū)動軟件與人機交互軟件的接口采用IoControl的方式來實現(xiàn)。

3.3人機交互軟件設(shè)計

人機交互軟件負責(zé)接收用戶命令和參數(shù)并通過驅(qū)動軟件下發(fā)至RFID協(xié)議處理單元，隨后等待RFID協(xié)議處理單元處理完成并獲取相應(yīng)的測試參數(shù)值。最后依據(jù)超高頻RFID協(xié)議［11］對相關(guān)參數(shù)的要求進行判決，并把判決總體結(jié)果和詳細測試參數(shù)值顯示出來。

由于測試項目比較多，人機交互軟件采用樹型控件逐一羅列，方便用戶操作。用戶僅需選中檢測項目，點擊“開始檢測”，即可完成該項功能或參數(shù)的測試；完成檢測后，用戶可以通過點擊“保存報告”，生成該次測試結(jié)果的報表。報表是以EXCEL格式保存，可以通過面板上的USB接口將該報表導(dǎo)出到其他平臺。

4　試驗結(jié)果與分析

通過矢量信號源模擬超高頻RFID讀寫器對RFID檢測儀發(fā)送激勵信號（單次查詢命令），同時觸發(fā)矢量信號分析儀接收并分析RFID檢測儀回傳信號，對RFID檢測儀的支持頻率范圍、接收靈敏度、最大發(fā)射功率、支持調(diào)制解調(diào)方式、反向鏈路頻率誤差等參數(shù)進行測試，測試結(jié)果如表1所示。

表1　測試項目及測試結(jié)果

通過測試結(jié)果可以看出，作為手持式設(shè)備的RFID檢測儀在小體積、低功耗等條件制約下，關(guān)鍵指標(biāo)均滿足或優(yōu)于超高頻RFID通信協(xié)議［11］的要求。

5　結(jié)束語

RFID檢測儀是一款針對超高頻RFID讀寫器射頻參數(shù)測試和協(xié)議一致性測試的現(xiàn)場專用檢測設(shè)備，其檢測項目的完備性和方便性是其他檢測手段所不具備的。該檢測儀既可用于超高頻讀寫器的研制生產(chǎn)過程中的檢測環(huán)節(jié)，又方便現(xiàn)場維護人員的攜帶和對超高頻RFID讀寫器的現(xiàn)場測試。該產(chǎn)品大大減少測試儀器資源的占用量，極大地降低測試設(shè)備的購置成本，目前已經(jīng)在超高頻讀寫器的生產(chǎn)商和最終用戶得到較好的應(yīng)用。手持式超高頻RFID專用檢測儀的出現(xiàn)，對于超高頻RFID讀寫器的發(fā)展起到很好的促進作用，其必然會在工業(yè)生產(chǎn)、現(xiàn)場維護等領(lǐng)域呈現(xiàn)出良好的市場發(fā)展前景。

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Design of Portable UHF RFID Reader Tester

Xu Wei
（Spaceon Observation and Control Technology Co.，Ltd.，Chengdu611731，China）

Radio frequency identification（RFID）technology has been developing rapidly from the rising of the Internet of things，UHF RFID technology has been widely used because of its long recognition distance，fast recognition speed，strong anti collision capability.Compared with the RFID technology，the RFID testing technology is relatively laggard，and it mainly carries on the qualitative test based on reference tag or reference reader.In order to realize the quantitative measurement of the RF parameters and protocol conformance of the RFID reader，an UHF RFID reader tester based on RF processing and digital software-defined radio（SDR）is designed.The tester is a portable device，and it has many characteristics such as small volume，low power consumption，light weight，strong function，simple operation，and it can meet the UHF RFID reader's test requirements of mass production and field support.

portable；tester；RFID；UHF

1671-4598（2016）05-0302-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.083

TP216

A

2015-11-06；

2015-12-08。

徐衛(wèi)（1981-），男，山東省濟寧市人，碩士研究生，工程師，主要從事測控技術(shù)與儀器方向的研究。