低頻電子耳標(biāo)協(xié)議一致性測(cè)試系統(tǒng)研究

張旭，金聞名，張晶聲，李娉

(中國(guó)獸醫(yī)藥品監(jiān)察所，北京100081)

近年來，RFID技術(shù)得以快速發(fā)展，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化、交通運(yùn)輸控制管理等眾多領(lǐng)域。隨著制造成本的下降和標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)現(xiàn)，RFID技術(shù)的全面推廣和普遍應(yīng)用呈現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的趁勢(shì)，這也給RFID測(cè)試領(lǐng)域帶來了巨大的需求和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

1 RFID一致性測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及必要性

1.1 RFID一致性測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀 RFID協(xié)議一致性測(cè)試規(guī)范是隨著RFID協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展而發(fā)展起來的，測(cè)試規(guī)范的目的即確定被測(cè)單元的特性與協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定一致。具體是根據(jù)測(cè)試規(guī)范列舉的測(cè)試項(xiàng)目，通過比較被測(cè)單元的實(shí)際輸出與預(yù)期輸出的異同，來判定被測(cè)單元與協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定一致性。

ISO和EPC global都根據(jù)已發(fā)布的RFID協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)制訂了對(duì)應(yīng)的測(cè)試規(guī)范，用于指導(dǎo)業(yè)界進(jìn)行規(guī)范、可靠的RFID協(xié)議一致性測(cè)試。由于不同RFID協(xié)議的調(diào)制參數(shù)、編碼方式、防沖突機(jī)制、幀結(jié)構(gòu)、指令集等都各不相同，且不同頻段的RFID產(chǎn)品可能具有完全不同的特性，所以每一種協(xié)議都有其對(duì)應(yīng)的一致性測(cè)試規(guī)范，其中低頻電子耳標(biāo)對(duì)應(yīng)的一致性測(cè)試規(guī)范為《ISO 24631.1動(dòng)物的射頻識(shí)別 第一部分：符合ISO11784和ISO11785標(biāo)準(zhǔn)的射頻標(biāo)簽一致性規(guī)范》。該規(guī)范規(guī)定了不同測(cè)試種類的測(cè)試項(xiàng)目及要求、測(cè)試裝置及測(cè)試環(huán)境及設(shè)備。

1.2 低頻協(xié)議一致性測(cè)試的必要性 低頻RFID 系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、讀寫器和系統(tǒng)高層構(gòu)成[1]，系統(tǒng)高層是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，主要完成數(shù)據(jù)處理、傳輸和通信的功能。低頻電子耳標(biāo)測(cè)試系統(tǒng)是RFID協(xié)議一致性測(cè)試規(guī)范在畜牧業(yè)的具體應(yīng)用。

該一致性測(cè)試能夠有效地確保電子耳標(biāo)在工作狀態(tài)下的性能。因此，為了保證低頻RFID系統(tǒng)的正常、可靠使用，必須進(jìn)行低頻協(xié)議一致性測(cè)試。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的測(cè)試模式 目前應(yīng)用于RFID協(xié)議一致性測(cè)試系統(tǒng)主要有以下幾種測(cè)試模式，即：成功/失敗模式、監(jiān)聽模式、激勵(lì)/響應(yīng)模式、改進(jìn)的激勵(lì)/響應(yīng)模式，依次覆蓋了從簡(jiǎn)單到復(fù)雜不同層次的一致性測(cè)試需求。

2.1.1 成功失敗模式 采用參考閱讀器與被測(cè)標(biāo)簽之間進(jìn)行通訊，得出通訊成功或失敗的結(jié)果，以此判定被測(cè)標(biāo)簽的特性。其作用原理如圖1所示。

圖1 成功失敗模式原理示意圖

2.1.2 監(jiān)聽模式 增加頻譜儀和示波器等第三方儀器，當(dāng)參考單元和被測(cè)單元之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，通過第三方儀器對(duì)通訊的信號(hào)進(jìn)行采集和分析。其作用原理如圖2所示。

2.1.3 激勵(lì)/響應(yīng)模式 參考單元被矢量信號(hào)發(fā)生器取代，矢量信號(hào)發(fā)生器發(fā)射特定的RFID信號(hào)給被測(cè)單元，同時(shí)給矢量信號(hào)分析儀發(fā)送數(shù)字觸發(fā)信號(hào)，矢量信號(hào)分析儀同步采集通訊信號(hào)并進(jìn)行分析。其作用原理如圖3所示。

圖2 監(jiān)聽模式原理示意圖

圖3 激勵(lì)/響應(yīng)模式原理示意圖

2.1.4 改進(jìn)的激勵(lì)/響應(yīng)模式 采用基于FPGA的基帶處理器，同時(shí)替代了矢量信號(hào)發(fā)生器的任意波形發(fā)生模塊，以及矢量信號(hào)分析儀的數(shù)字化模塊，配合射頻前端協(xié)同工作，實(shí)時(shí)信號(hào)處理，解決通信握手問題。

圖4 改進(jìn)的激勵(lì)響應(yīng)模式原理示意圖

2.1.5 測(cè)試模式的對(duì)比 表1對(duì)比了幾種測(cè)試模式的特點(diǎn)，從中可以看出，幾種模式有著不同的適應(yīng)性及復(fù)雜度，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工作的具體需要進(jìn)行選取。本文選用改進(jìn)的激勵(lì)/響應(yīng)模式。

表1 測(cè)試模式對(duì)比

2.2 系統(tǒng)硬件層設(shè)計(jì) 低頻電子耳標(biāo)一致性測(cè)試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分為硬件層和軟件層，硬件層根據(jù)具體測(cè)試需要，選取合適的模塊化硬件而構(gòu)成，軟件層主要包括RFID協(xié)議仿真軟件和RFID協(xié)議一致性測(cè)試軟件。

對(duì)于低頻RFID信號(hào)，采用中頻收發(fā)器進(jìn)行信號(hào)收發(fā)能夠更好的精細(xì)采集其信號(hào)波形。因此本文選用NI公司生產(chǎn)的PXIe-5641R中頻收發(fā)器作為測(cè)試系統(tǒng)的硬件層核心器件。該收發(fā)器可以利用RIO硬件上的用戶可編程的FPGA資源，將用戶自定義的實(shí)時(shí)射頻激勵(lì)和響應(yīng)集成到測(cè)試、測(cè)量和通信系統(tǒng)中。測(cè)試硬件可以根據(jù)被測(cè)設(shè)備的響應(yīng)，來動(dòng)態(tài)改變測(cè)試與激勵(lì)，從而實(shí)現(xiàn)協(xié)議感知測(cè)試。

測(cè)試過程中，由中頻收發(fā)器板載FPGA基帶處理器生成具體的測(cè)試指令，進(jìn)行編碼，通過板載數(shù)字上變頻器以及數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為射頻信號(hào)，經(jīng)天線向外發(fā)送。電子耳標(biāo)被該射頻信號(hào)激活后，將其自身的應(yīng)答信號(hào)經(jīng)天線發(fā)送給中頻收發(fā)器，通過中頻收發(fā)器板載模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及數(shù)字下變頻器轉(zhuǎn)化為數(shù)字基帶信號(hào)，經(jīng)解調(diào)、數(shù)字化之后送至控制器進(jìn)行物理層測(cè)試，同時(shí)由FPGA解碼后的信息也送至控制器進(jìn)行協(xié)議層測(cè)試。系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)硬件架構(gòu)示意圖

2.3 系統(tǒng)的軟件層設(shè)計(jì)

2.3.1 信號(hào)傳輸原理 FPGA基帶處理器從主控制器接收命令后，對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行編碼、調(diào)制、脈沖成型，進(jìn)而輸送到板載上變頻器中，標(biāo)簽返回IQ信號(hào)，通過下變頻器再次傳輸?shù)紽PGA基帶處理器，對(duì)其進(jìn)行物理層測(cè)試，該信號(hào)經(jīng)過解調(diào)得到解調(diào)信號(hào)，通過解碼得到位信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行協(xié)議層測(cè)試。軟件信號(hào)傳輸原理如圖6所示。

圖6 軟件信號(hào)傳輸原理示意圖

2.3.2 信息格式設(shè)定 低頻電子標(biāo)簽的通訊方式分為全雙工和半雙工。全雙工為射頻識(shí)讀器在發(fā)射觸發(fā)場(chǎng)的同時(shí)可接收信息的雙向通訊方式；半雙工為射頻識(shí)讀器在停止發(fā)射觸發(fā)場(chǎng)后才能接收信息的交替通訊方式。在電子耳標(biāo)中，應(yīng)用較為廣泛的是全雙工通訊方式。全雙工信息格式為起始碼、標(biāo)識(shí)代碼、校驗(yàn)碼及結(jié)束碼[2]。其中，起始碼(00000000001)作為檢驗(yàn)標(biāo)簽是否為全雙工通訊模式的標(biāo)志[3]，波形圖如圖7所示。

圖7 全雙工起始碼信號(hào)波形圖

2.4 天線裝置 低頻電子耳標(biāo)采用電感耦合方式進(jìn)行工作[1]。線圈形式的天線相當(dāng)于電感，電感線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，使讀寫器和電子標(biāo)簽之間相互耦合，構(gòu)成了電感耦合方式的工作原理。同時(shí)，線圈產(chǎn)生的電感與射頻電路中的電容組合在一起，形成諧振電路，諧振電路可以實(shí)現(xiàn)低頻RFID能量和傳輸。已知低頻電子耳標(biāo)的諧振頻率f=134.2kHz，負(fù)載為RL，品質(zhì)因數(shù)為QL，依據(jù)式1[1]：

(1)

計(jì)算電感L。

依據(jù)式2[1]：

(2)

計(jì)算電容C。

線圈的電感取決于線圈的匝數(shù)、半徑、導(dǎo)線的直徑、兩個(gè)線圈圓心之間的距離以及材料[1]。進(jìn)而確定天線的參數(shù)。天線裝置示意圖如圖8所示

圖8 天線裝置示意圖

3 試驗(yàn)測(cè)試

3.1 操作過程 低頻電子耳標(biāo)協(xié)議一致性測(cè)試系統(tǒng)是依據(jù)ISO24631[3]一致性測(cè)試規(guī)范中的測(cè)試步驟、測(cè)試裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)的。被測(cè)標(biāo)簽置于線圈中心，具有參考收發(fā)器，其硬件層及天線裝置連接方式為：圖基帶處理器AO CH0與發(fā)射天線端連接，感應(yīng)接收天線與基帶處理器AI CH0連接，如圖9所示。

圖9 硬件層與天線裝置連接方式示意圖

點(diǎn)擊發(fā)送按鈕，模擬讀寫器發(fā)送134.2 kHz射頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)協(xié)議仿真，該信號(hào)通過發(fā)射端天線、感應(yīng)電圈使電子耳標(biāo)獲得電能，電子耳標(biāo)被激活后將自身信號(hào)傳到FPGA進(jìn)行解調(diào)，計(jì)算返回頻率。

3.2 測(cè)試結(jié)果 50個(gè)標(biāo)簽的諧振頻率均應(yīng)在134.2 kHz±3kHz的范圍內(nèi)，單個(gè)標(biāo)簽的諧振頻率測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

圖10 單個(gè)標(biāo)簽的諧振頻率測(cè)試圖

同時(shí)，50個(gè)標(biāo)簽的返回頻率均應(yīng)符合ISO11785[4]的要求：返回頻率在129.0kHz-133.2kHz及135.2.0kHz-139.4kHz范圍內(nèi)，單個(gè)標(biāo)簽的返回頻率測(cè)試結(jié)果如圖11所示，負(fù)載波峰值出現(xiàn)在±4.1kHz處，即返回頻率為130.1 kHz和138.3kHz。

圖11 單個(gè)標(biāo)簽的返回頻率測(cè)試圖

標(biāo)簽信息的格式應(yīng)符合ISO11784[5]的要求。包含應(yīng)用標(biāo)志(Animal bit)、標(biāo)簽重置計(jì)數(shù)(Retagging counter)、用戶信息(User information field)、保留字段(Reserved field)、數(shù)據(jù)塊標(biāo)志位(Data block)、國(guó)家代碼(Country code)、唯一性編碼(National ID)等內(nèi)容，信息內(nèi)容如圖12所示。

圖12 信息內(nèi)容測(cè)試數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

本文通過選取改進(jìn)的激勵(lì)/響應(yīng)模式，由PXIe-5641R中頻收發(fā)器中的板載FPGA發(fā)出指令，經(jīng)過編碼、上變頻，通過天線發(fā)送到電子耳標(biāo)端，電子耳標(biāo)被該射頻信號(hào)激活后，將其自身的應(yīng)答信號(hào)經(jīng)天線發(fā)送給中頻收發(fā)器，通過中頻收發(fā)器板載模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及數(shù)字下變頻器轉(zhuǎn)化為數(shù)字基帶信號(hào)，經(jīng)解調(diào)、數(shù)字化之后送至控制器進(jìn)行物理層測(cè)試，同時(shí)由FPGA解碼后的信息也送至控制器進(jìn)行協(xié)議層測(cè)試。該測(cè)試過程符合ISO 24631.1射頻標(biāo)簽一致性測(cè)試規(guī)范要求，測(cè)試結(jié)果中的諧振頻率、返回頻率及信息格式需符合ISO11784及ISO11785的要求。