1. RFID技術簡介
RFID是Radio Frequency Identification的縮寫，即射頻識別，俗稱電子標簽。RFID技術是從二十世紀90年代興起的一項非接觸式自動識別技術。它是利用射頻方式進行非接觸雙向通信，以達到自動識別目標對象并獲取相關數據，具有精度高、適應環境能力強、抗干擾強、操作快捷等許多優點。近年來，RFID技術在國內外發展很快，產品種類很多，像TI、Motorola、Philips、Microchip等世界廠商都生產RFID產品，并且各有特點，自成系列。RFID已被廣泛應用于工業自動化、商業自動化、交通運輸控制管理等眾多領域，例如門禁系統、智能公交卡、商品物流管理以及第二代身份證等。
2. RFID測試需求及現狀
作為無線通訊的新興領域之一，RFID技術在具有無線通訊技術所共有的特性之外，又有著其獨有的特殊性，其中為重要的是標準的多樣化。國際上制定RFID標準的組織比較的有三個：ISO，美國的EPC global以及日本的Ubiquitous ID Center，目前已定義的RFID標準，包括工作頻率在低頻（120-134kHz），高頻（13.56MHz），超高頻（433MHz、860-960MHz、2.45GHz）和特高頻（5.8GHz）頻率范圍內，符合不同標準的不同產品，而且不同頻段的RFID標簽會有不同的特性。但無論采用哪種頻率或標準，在產品開發和生產過程中都必須解決測試的問題。
RFID的測試主要為一致性測試，射頻測試是重要的測試內容，如射頻包絡測試、反應時間測試以及不同調制參數和編碼方式下的數據讀寫等，以驗證RFID標簽的射頻性能是否符合標準。芯片設計的影響、制造工藝的影響或者為不同類別的產品設計不同的天線，都會導致RFID標簽的射頻性能發生變化，因此在研發和生產過程中必須對該產品的射頻性能進行測試，以保證其射頻指標符合RFID射頻標準的要求。
對于單一標準的通訊系統，如藍牙，傳統測試儀器制造商已能夠為其提供綜測儀。藍牙測試系統配置包括一臺測試儀和被測設備，其中測試儀作為主單元，被測設備作為從單元。兩者之間通過射頻電纜相連或通過天線經空中傳輸相連，在建立通訊鏈路的基礎上進行參數的設置及測試。
對于RFID，采用傳統儀器難以實現對多標準的支持，目前主流的傳統測試儀器制造商尚未推出類似的綜測儀。僅有Tektronix推出的RTSA系統能夠以第三方的方式在RFID通訊的過程中捕獲信號并進行物理層測試，但由于其不具備RFID協議，不能進行協議層測試，且仍需要額外的讀寫設備作為主單元與被測單元建立通訊。
3. 基于NI技術的創新
隨著成本的下降和標準化的實現，RFID技術的全面推廣和普遍應用將是不可逆轉的趁勢。面對RFID測試領域的巨大需求以及相關測試儀器的匱乏，我們采用NI在測試領域的優勢技術，結合聚星在射頻測試領域的技術專長，成功的構建了一套基于模塊化儀器的RFID測試系統。該系統的推出彌補了RFID測試領域的空白，對比于傳統的測試儀器，無論是在功能還是性能上，該系統均處于業界地位。
首先，該系統具備RFID協議，能夠主動與被測單元間建立通訊，不再依賴于額外的讀寫設備；其次，在軟件層實現了對RFID多標準的支持，使用同一系統就能夠對不同標準的RFID標簽進行測試；再次，支持RFID標準中的各種調制方式、調制參數以及編碼方式，能夠實現從物理層到協議層的各種測試項目；，可以擴展支持廠家自定義的指令集，從而支持各廠家所生產的不同RFID產品。
另一方面，隨著RFID產品產量的不斷增大，測試時間將會成為制造過程中影響成本的一個重要因素，這就要求測試系統能夠在非常短的時間內完成各種測試。基于模塊化儀器的測試系統，以其高數據吞吐量、良好的集成性等分離儀器無法比擬的優勢很好的滿足了該需求。
二、 基于HOST的代RFID測試站
在目前的應用領域，符合國際標準的高頻RFID正逐漸取代原來各廠家自行定義的低頻RFID，并成為主流，其中應用較廣的標準有ISO14443、ISO15693、ISO18000-3以及EPC C1G1等，俗稱為代RFID，我們以HOST為處理核心構建了其測試系統。
1. 系統構架
該系統具有非常簡潔的系統構架，采用矢量信號發生器（PXI-5671）和矢量信號分析儀（PXI-5660）作為射頻儀器，并采用嵌入式控制器（PXI-8196）作為指令發生器和應答分析儀。
測試過程中由控制器生成指令，并進行編碼，之后通過矢量信號發生器進行DAC及上變頻，調制在某一頻率的載波信號上經天線向外發送，被測試的電子標簽接收此脈沖信號，卡內芯片對此信號進行解析之后返回應答，經編碼、調制后通過卡內天線再發送給測試系統，接收到的信號通過矢量信號分析儀進行下變頻及ADC，應答信號在解調、數字化之后送至控制器進行物理層測試，同時經過解碼后進行協議層測試。
2. 軟件設計
在軟件設計中，采用了模塊化的層次結構，使得軟件構架也非常的簡潔。首先將整個軟件系統劃分為了三個層次：硬件控制層、物理測試層以及協議測試層。其中，硬件控制層實現對模塊化儀器的控制，包括板載信號處理以及硬件觸發采集等；物理測試層實現對應答信號的物理參數測試，包括時、頻域的各種測量分析；協議測試層實現指令信號的生成、編碼，以及應答信號的解碼、協議分析。在多層次結構的框架下，各層又具體的分為一系列的功能模塊。
硬件控制層：初始化硬件、配置硬件參數、下載指令波形、發送指令及接受應答、關閉硬件
物理測試層：實時頻譜分析、時域波形參數測量、時頻聯合分析
協議測試層：指令生成、指令編碼、時域信號定位、應答解碼及協議分析
各功能模塊都經過了良好的封裝，在實現復雜算法的同時又具有簡潔、標準的接口，在此基礎上，終測試系統的構建，以及用戶的二次開發，如：自定義測試、數據管理等，都可以輕松的實現。
如同CDMA或者TCP/IP，RFID也是一種協議，它是系統用來區分信號中的數據和控制信息的一整套規則。協議層之下是被調制的信息，無線通訊中常見的ASK、FSK、PSK調制，在RFID協議中均有采用，RFID協議將這些經調制的載波打包成標簽可以解讀的形式。RFID測試軟件的一個核心問題就是對這些遵循不同標準的信號進行數字濾波、調制/解調、編碼/解碼。以工作頻率在13.56MHz 的ISO18000-3為例，其中又包含了兩種子類型，Mode2主要應用于日本，Mode1則在全球都有著非常廣泛的應用。
在RFID的各標準中，都存在一些較為特殊的定義，如Mode1支持兩種指令編碼，其應答信號是具有副載波二次調制的ASK；Mode2的指令調制為±1°～±2°的相位跳動調制，其應答調制為在8個可選通道中隨機選擇一個通道的BPSK。
在NI的數字濾波器設計工具包，調制工具包的基礎上，結合聚星自行開發的無線測試工具包，我們實現了對RFID中的各種復雜調制、編碼標準的良好支持。
3. 優勢技術
i. 模塊化硬件：自動化集成
NI模塊化儀器結合了緊湊的高性能硬件以及靈活的開發軟件，通過選擇合適的硬件模塊并在標準的軟件環境中定制測試程序，即可滿足各種具體的應用要求，采用模塊化儀器構建的系統比傳統的儀器具有更高的靈活性、測量精度、數據吞吐量和同步特性。
NI推出的射頻模塊將矢量信號分析儀和發生器的功能集成到輕巧的模塊化PXI平臺上，基于工業標準的 PXI-5660和PXI-5671，具有達2.7 GHz的頻率范圍，高實時帶寬，高穩定度OCXO時基，并結合了頻譜分析軟件和定制調制模式的功能。模塊化解決方案的應用，使得我們的測試系統能夠以單一儀器集成了RFID的各項通訊、測試功能，并終適用于生產線上的高速自動化測量。
ii. 硬件觸發：定時和同步
一般而言，傳統儀器的同步功能通常很難做到，在許多情況下，要保證儀器之間必要的定時精度是不可能的。NI模塊化儀器具有建立高度集成測量系統的定時和同步特性，特別是PXI模塊化儀器可以利用內置在PXI背板上的時鐘和觸發總線。集成式的定時和同步功能，使得高性能的激勵響應系統的構建得到了保障。在RFID測試中，通訊過程通常在毫秒量級的時間內即完成，這就要求我們的測試系統在發送指令和接收應答之間建立可靠的高速同步性能，PXI的架構使矢量信號分析儀和發生器的集成和同步得以輕松實現。
iii. DUC，DDC：板載信號處理
DUC，DDC是數字上變頻以及數字下變頻的縮寫，即兩種板載信號處理，PXI-5660和PXI-5671均包含了板載信號處理功能。PXI-5671提供的DUC可通過板載硬件進行正交數字上變頻和基帶信號插值，PXI-5660提供的DDC可通過板載硬件進行正交數字下變頻和基帶信號抽取，從而大大降低波形的規模，減少波形計算和波形數據傳輸的時間。板載信號處理功能特別適用于要求數據讀取時響應迅速的軟件無線電應用，此功能極大的提高了RFID測試系統的性能。
iv. 模塊化軟件：多協議支持
強大的測試軟件是虛擬儀器技術的關鍵，如前所述，該系統突破了傳統儀器受專有硬件限制的局限性，在軟件層實現了對RFID多標準的支持。結合NI模塊化硬件提供靈活的平臺，我們采用了層次化、模塊化的軟件構架，從而使系統功能適應RFID的測試需求。雖然RFID的各種標準之間，其編碼/解碼、調制/解調過程的具體實現方式都不盡相同，但通過模塊化的良好封裝，頂層的功能模塊都以統一的標準接口呈現給用戶。這樣使得現已支持的標準都能夠很好的整合在一起，并且為將來可能擴展的新標準支持提供了非常方便的接口。
三、 基于FPGA的第二代RFID測試站
RFID技術作為新興領域也在不斷發展，第二代RFID以超高頻（860-960MHz）EPC Class-1 Generation-2標準為代表，被認為是面向供應鏈管理的RFID在發展過程中的一塊里程碑。該標準起源于2002年，終于2005年正式確立，其簡化版即ISO18000-6 Type A標準。符合第二代標準的商用產品隨即開始開發，并有望在未來的幾年內替代現行的代RFID。
第二代RFID旨在從許多方面改進性能，包括更經濟、更小的芯片，更高的數據傳輸速率，更長的電子產品編碼，更先進的防沖突算法，更快的讀取速度等。在第二代RFID大幅度提高性能的同時，也為測試系統提出了更大的挑戰，其中為核心的技術難點是，該標準要求微秒級的實時應答，目前尚無測試儀器能達到如此高的實時性。因此我們采用NI推出的一塊模塊化儀器，并以FPGA為處理核心構建了新一代的測試系統。
1. 系統構架
該系統構架由代系統改進而來，第二代超高頻RFID標準需要在應答器和標簽之間建立微秒級實時通訊，因此我們采用IF RIO結合上、下變頻器來實現實時通訊過程，板載FPGA用于建立實時通訊，HOST處理器用于信號的后續分析。
測試過程中由IF RIO板載FPGA生成指令，并進行編碼，之后通過板載DUC以及DAC轉化為中頻信號，傳送給上變頻器調制在射頻載波上經天線向外發送。接收到的應答信號經下變頻器轉化為中頻信號后傳送給IF RIO，通過板載ADC以及DDC轉化為數字基帶信號，應答信號在解調、數字化之后送至控制器進行物理層測試，同時由FPGA解碼后的信息也送至控制器進行協議層測試。
2. 軟件設計
軟件設計采用了與代系統相同的模塊化層次結構，即：硬件控制層、物理測試層以及協議測試層，在此不再復述，不同之處在于代系統的核心代碼運行于HOST處理器上，而第二代系統的核心代碼運行于FPGA上，上圖為其軟面板用戶界面。
整個實時通訊（Inventory）過程在1.8毫秒內即全部完成，其中包含了3條指令以及3條應答，即Query（指令）--RN16（應答）--ACK（指令）--PC,EPC,CRC16（應答）--ReqRN（指令）--Handle（應答），反應時間T1（指令結束到應答開始）和T2（應答結束到指令開始）都在20微秒左右。
根據其標準， ACK指令中必須正確包含前一條應答中的16位隨機數，且反應時間T2應在3-20Tpri之內（約幾微秒到幾十微秒），否則通訊將失敗，因此采用預先生成指令的方式無法完成實時通訊，測試系統必須具有在極短的時間內實時生成指令的能力。我們采用了IF RIO板載FPGA的超高速實時處理能力，在標準規定的時間內，完成了應答的解調、解碼、隨機數提取、指令的編碼、隨機數嵌入、調制的全過程，這也是第二代RFID測試中為核心的技術難點之一。在此基礎上，我們更進一步實現了反應時間T2的微秒級定時控制，以及第二代RFID以隨機數為基礎的防沖突管理機制，以下是該系統所支持的多種RFID標準。
3. 優勢技術
i. 模塊化硬件：設備再利用，靈活可擴展
靈活的模塊化系統架構可以快速適應行業標準的變化，這一點在RFID的測試中得到了極好地體現，第二代系統與代系統之間實現了大部分設備的再利用，其中模塊化儀器PXI-5610上變頻器、PXI-5600下變頻器分別為PXI-5671矢量信號發生器、PXI-5660矢量信號分析儀的子模塊。模塊化硬件的靈活性也為系統提供了良好的擴展功能，在原有系統的基礎上擴展了IF RIO之后，即實現了新一代測試系統的構建。
ii. FPGA：板載實時決策，微秒級定時控制
IF RIO（PCI-5640R）從屬于R系列可重配置I/O，包括一個3百萬門Xilinx Virtex-II Pro P30 FPGA、2路100MS/s中頻輸入、2路200MS/s中頻輸出、DDC和DUC、以及2 MB SRAM。IF RIO采用了FPGA作為控制器，具有可配置的觸發、定時、以及板載決策，能夠實時地控制I/O信號，實現了I/O的可配置化以適于特定的應用，特別適合于各種數字通訊協議測試系統的構建。
在第二代RFID的測試中，的挑戰就是實現其協議中的實時應答機制，正是由于采用了FPGA的實時處理能力結合可自定義的板載決策，各種復雜的數字濾波、調制/解調、編碼/解碼、CRC以及邏輯控制算法得以在FPGA硬件層次上運行，使得系統具有極高的實時性能，這也是本方案中重要的創新之一。以防沖突管理機制的實現為例，由于其機制是以隨機數為基礎的，RFID標簽將以一定的概率返回或不返回應答，無法以簡單的邏輯來實現測試，因為我們在FPGA中實現了狀態機機制，能夠自動實時處理防沖突管理過程。
另一方面，在反應時間T2的極限測試中，要求測試系統的反應時間能夠以微秒級的精度進行調節，我們采用了FPGA所提供的高精度定時功能，結合自適應的反饋算法，實現了在各種測試條件下的精確定時，誤差不超過1微秒，滿足了RFID測試的需求。
iii. LabVIEW FPGA圖形化編程
LabVIEW FPGA將圖形化開發環境LabVIEW的功能擴展到了FPGA應用中，為可重配置I/O硬件上的現場可編程門陣列（FPGA）芯片提供了圖形化開發功能。通過LabVIEW FPGA，可以在Windows主機上開發FPGA程序，將直接的I/O訪問與自定義的邏輯相結合，并使用編譯器生成終的硬件代碼，開發過程中無需使用任何低層硬件描述語言或硬件板卡設計。在第二代系統的開發過程中，正是由于LabVIEW FPGA的采用，使得代系統HOST上的部分核心代碼得以移植到FPGA上，進而使整體的開發速度大大加快。
四、 結論
在NI模塊化儀器結合虛擬儀器的構架上，我們在較短的時間內成功研制出了全球臺擁有微秒級實時應答能力，且能進行完整的物理層及協議層測試的RFID測試系統，該系統的推出超前了主流的傳統測試儀器制造商。NI的優勢技術確保了本解決方案的成功，目前該系統已成功應用于全球范圍內的多家RFID領域的企業，如美國TI，Symbol，日本Toppan，Fujitsu，隨著RFID技術在中國的逐步推廣，本解決方案也在廣東，臺灣等地區引起了客戶的廣泛關注。