MDO混合域示波器在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展趨勢與設(shè)計挑戰(zhàn)

隨著現(xiàn)代傳感器技術(shù)和無線通信技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)開始進(jìn)入人們的日常生活。以RFID、ZigBee技術(shù)和NFC近場通信等技術(shù)為代表的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，正在成為眾多企業(yè)、高校研發(fā)和創(chuàng)新的方向。雖然針對這些技術(shù)，半導(dǎo)體廠商提供了各種專用芯片，甚至是集成度很高的解決方案，但在設(shè)計一個實際的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備時，工程師仍然面臨著很多挑戰(zhàn)。其中一個最重要的因素是如何測量系統(tǒng)中時間相關(guān)的時域和頻域信號。RFID和ZigBee技術(shù)中應(yīng)用到的RF信號雖然不是十分復(fù)雜，但信號的質(zhì)量、功率和時序關(guān)系決定著系統(tǒng)能否正常工作。而這些RF參數(shù)本身不僅和射頻發(fā)射/接收電路有關(guān)，還受到基帶電路和控制電路的影響。內(nèi)部寄存器的讀寫、電源的工況甚至是系統(tǒng)延遲時間的大小，都會決定整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)。傳統(tǒng)的示波器或頻譜分析儀是無法完成這種時間相關(guān)的時域和頻域信號綜合調(diào)試工作的。
MDO混合域示波器的創(chuàng)新設(shè)計理念

泰克MDO4000系列混合域示波器獨特的創(chuàng)新理念，為調(diào)試跨域的時頻相關(guān)的系統(tǒng)提供了獨一無二的工具。MDO4000在一臺全功能的混合信號示波器的基礎(chǔ)上，增加了一臺3GHz或6GHz的頻譜分析儀，可以完成普通頻譜分析儀的各種頻域測量功能。完全獨立的示波器時域采集系統(tǒng)和頻譜分析儀頻域采集系統(tǒng)，既可以獨立工作，也可以通過觸發(fā)協(xié)同工作。通過移動頻譜時間，用戶可以在示波器采集到的時間窗口內(nèi)，觀測在射頻通道采集到的任何一點的RF信號的頻譜情況。MDO還提供了RF信號的幅度、頻率和相位相對于時間變化的調(diào)制域分析功能。這些獨有的功能幫助用戶測量RF信號的各種調(diào)制信息。使用頻譜分析儀的工程師經(jīng)常面臨的一個問題是如何準(zhǔn)確地觸發(fā)并捕獲到關(guān)心的RF信號。由于傳統(tǒng)的頻譜分析儀觸發(fā)功能很有限，用戶很難做到一點。MDO4000不但可以通過RF信號的各種特征進(jìn)行觸發(fā)，還可以使用示波器的觸發(fā)系統(tǒng)，通過基帶或控制信號完成RF信號的觸發(fā)采集，這種功能極大地降低了調(diào)制物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的難度。

在調(diào)試RFID系統(tǒng)時，工程師面臨的一個重要的困難是如何測量標(biāo)簽的返回信號。由于標(biāo)簽返回信號的幅度很小，使用普通的示波器往往難以捕獲這一信號，更不要說對其幅度和頻率做進(jìn)一步分析了。主要原因是普通示波器的動態(tài)范圍只有40dB，無法捕獲微弱的標(biāo)簽信號。MDO4000具有60dB的動態(tài)范圍，以及低至-152dB/Hz 的底噪，能夠很好地勝任同時捕獲讀寫器信號和標(biāo)簽信號的任務(wù)。其獨特的AvsT射頻信號幅度的時域波形功能，甚至可以顯示標(biāo)簽信號幅度變化過程。
下面我們以一個13.56MHz的RFID讀寫器系統(tǒng)為例，介紹MDO4000的跨域調(diào)試應(yīng)用。

在RIFD系統(tǒng)研發(fā)中MDO混合域示波器的應(yīng)用

圖一 采用NXPCLRC632芯片的RFID讀寫器
測試13.56MHzRFID讀寫器的RF信號質(zhì)量參數(shù)
13.56MHz高頻RFID系統(tǒng)是目前國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛，技術(shù)較為成熟的射頻識別系統(tǒng)。相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)對射頻發(fā)射頻率、信道帶寬、發(fā)射功率等參數(shù)都有明確的要求，特別是RF信號的幅度（功率）隨時間變化的情況，標(biāo)準(zhǔn)有著嚴(yán)格的規(guī)定。以讀寫設(shè)備為例，讀寫設(shè)備發(fā)出的載波信號的幅度變化時間，必須符合 ISO18000-3標(biāo)準(zhǔn)對于t1-t4的時間限制。

圖二 ISO18000-3 13.56MHz RFID空中接口時間參數(shù)規(guī)范
通過使用MDO4000獨特的觸發(fā)功能，用戶可以輕松穩(wěn)定捕獲RFID的時域和頻域信號。如圖所示，由于載波信號幅度在變化，使用傳統(tǒng)手段很難測量出RF 信號從90%下降到5%的T1的時間長度。我們可以打開AvsT調(diào)制曲線，它代表了RF信號的幅度相對于時間變化的軌跡。通過自動測量或手動光標(biāo)測量，我們可以輕松得到T1的準(zhǔn)確時間。同理可以完成其他時間參數(shù)的測試。

圖三 13.56MHzRFID PCD到PICC信號的時域和AvsT調(diào)制域波形

圖四 測量PCD發(fā)射信號與標(biāo)簽返回信號間的延遲時間
測試PCD到PICC的讀寫時間
另一個需要嚴(yán)格保證的時間是從讀寫器發(fā)出讀卡信號后到標(biāo)簽返回信號的時間。過長或過短的時間都會被認(rèn)作讀寫失敗。使用傳統(tǒng)儀器測量這些信號的難度很大。MDO4000可以將RF信號的AvsT的軌跡完整展示的屏幕中，用戶只需用光標(biāo)定位到相應(yīng)位置，即可得到這一延遲時間。

圖五 13.56MHz RFID射頻信號的時域波形、調(diào)制域波形與頻譜顯示
使用ASK調(diào)制方式的RFID系統(tǒng)是通過副載波傳輸數(shù)據(jù)信息的。在上圖的頻譜部分，我們可以清楚地看到射頻信號的載波是13.56MHz，副載波信號為±800KHz左右。符合相關(guān)規(guī)定的要求。如果需要測量射頻信號的射頻參數(shù)，如信道功率、鄰道功率比或占用帶寬等，通過選擇MDO4000的自動測量功能，可以在屏幕中直接顯示這些測量結(jié)果。
如果設(shè)計人員希望了解RFID系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)情況，MDO4000同樣可以提供強(qiáng)有力的支持。MDO4000可以提供RF信號的IQ數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入泰克的RSAVu軟件后，可以完成RFID數(shù)據(jù)的解碼、射頻指標(biāo)計算等工作。如下圖所示，使用RSAVu軟件讀取MDO4000提供的.TIQ數(shù)據(jù)，軟件可以計算得出RF信號的幅度時域波形，計算得出EVM、調(diào)制深度、調(diào)制系數(shù)、頻率偏差、碼速率等參數(shù)。并可以將這些RF信號代表的數(shù)據(jù)解碼顯示出來。簡化了設(shè)計人員的調(diào)試難度。

圖六 RSAVu自動測試和解碼功能
MDO的系統(tǒng)級調(diào)試和分析功能
RFID讀寫器是一個包含了基帶微控制器、RF發(fā)射和接收模塊以及電源和控制總線的復(fù)雜的射頻嵌入式系統(tǒng)?；鶐Э刂菩盘柡拖到y(tǒng)內(nèi)部寄存器的狀態(tài)直接影響系統(tǒng)的工作狀態(tài)。以我們測試的讀寫器為例，NXP CLRC632讀寫控制芯片包含了 壓控振蕩器、鎖相電路、編碼、解碼、混頻和發(fā)射/接收功能，芯片的工作受到單片機(jī)芯片STC 90c58RD+的控制。
測試系統(tǒng)控制信號與TX和RX信號的時序關(guān)系

圖 七 Rx信號與射頻信號的時域關(guān)系
NXP CLPC632射頻芯片的相關(guān)管腳可以測量得到射頻發(fā)射的控制信號，如上圖所示的CH2藍(lán)色波形，我們可以將這些控制信號與RF信號的時域波形，以及RF信號的AvsT波形同時測量，這樣我們就可以簡便地觀察到各種控制指令對射頻發(fā)射的影響。

圖八 通過SPI總線捕獲寄存器狀態(tài)數(shù)據(jù)
單片機(jī)芯片與讀寫控制芯片之間通過SPI總線通信。讀寫控制芯片的實際工作功能，通過更改內(nèi)部寄存器的數(shù)值加以管理。如：地址14的寄存器為 codercontrol寄存器，控制編碼時鐘和模式。當(dāng)該寄存器的第三位至第五位的值為000時，則編碼速率為848KB，當(dāng)數(shù)值為011時，則為一個典型的ISO1443A編碼標(biāo)準(zhǔn)，碼速率為106KB，數(shù)值為100時為ISO1443 TYPE B的編碼速率。這調(diào)試實戰(zhàn)中，如果我們發(fā)現(xiàn)頻譜副載波信號的頻率與我們設(shè)計的傳輸碼速率不一致時，我們可以通過捕獲相應(yīng)地址的SPI總線數(shù)據(jù)，查看相應(yīng)的寄存器的數(shù)值，確定出現(xiàn)此類問題的原因。Codercontrol寄存器的0-2位，控制的是傳輸數(shù)據(jù)的編碼形式。如果在設(shè)計調(diào)試中發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)通信不能建立的問題，可以檢查這三位的數(shù)值，核查實際的編碼形式是否正確。“000”代表ISO14443-B的NRZ非歸零編碼，“001”表示 ISO14443A的Miller編碼，而“110”和“111”則表示ISO15693標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的編碼形式。
總結(jié)
MDO4000混合信號示波器獨有的時間相關(guān)的跨越分析功能，為以RFID為代表的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的研制和調(diào)試提供了有力的工具。使用MDO4000不但能夠輕松測量信號的模擬波形、頻譜狀況和各種頻域參數(shù)，更可以通過AvsT、FvsT和ΦvsT這些調(diào)制域軌跡，簡便地驗證產(chǎn)品是否符合國際和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。更重要的是，由于將模擬信號、數(shù)字信號和總線信號，與射頻信號在時間上關(guān)聯(lián)起來，我們既可以通過這些信號時序關(guān)系，驗證系統(tǒng)實際工作的過程，也可以通過對總線信號、寄存器數(shù)據(jù)的分析，查找除產(chǎn)生故障的原因。目前MDO4000是市場中唯一一種能夠提供此類功能的測試儀器。我們希望MDO4000能夠加速物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的設(shè)計，為整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

MDO4000混合域示波器主要指標(biāo)：

典型配置：
MDO4054-3 混合信號示波器（如果設(shè)計2.4G RFID系統(tǒng)，建議選擇MDO4104-6）
DPO4EMBD總線分析模塊（I2C+SPI總線）
MDO4TRG高級射頻觸發(fā)模塊
專用標(biāo)簽天線工裝
泰克近場探頭套件（型號：119414600，100KHz-1GHz）
BNC電纜
BNC三通適配器

RF401是新推出的數(shù)傳頻段433MHz單片無線收發(fā)一體芯片，該芯片集成了高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、FSK 調(diào)制、FSK解調(diào)、多頻道切換等功能，具有性能優(yōu)異、功耗低、使用方便等特點，nRF401 的外圍元件很少，只包括一個基準(zhǔn)晶振和幾個無源器件，沒有調(diào)試部件，這給研制及生產(chǎn)帶來了極大的方便。

表1是NRF401電氣性能參數(shù)

表2是NRF401引腳功能表

是RF401的典型應(yīng)用電路，天線口ANT1 ANT2輸出至一600 的印制天線,C10 C11為天線回路的皆振電容，R4的作用是適當(dāng)降低天線回路的Q值.該電路的最大發(fā)射功率為10dBm,接收靈敏度高達(dá)-105dBm.開闊地的使用距離最遠(yuǎn)可達(dá)1000米。如需要加大使用距離可在ANT1 ANT2輸出口加一600-50平衡非平衡變換電路并接入輸入輸出放大和轉(zhuǎn)換電路.

該電路即是發(fā)射電路也是接收電路.采用單片機(jī)IC2.PIC16C57控制NRF401的收發(fā)狀態(tài),同時單片機(jī)還同時完成編解碼等工作。在發(fā)信狀態(tài)時IC2接收到按鍵按下的低電平信號,從腳送出高平使NRF401進(jìn)入發(fā)射狀態(tài).同時隨機(jī)選通不同的晶體并在CS的配合下使發(fā)射頻率在4.44..6種之間跳變.在每個頻點DIN傳送兩頻相同的數(shù)據(jù)信息.燃后跳到下一頻點.

無按鍵按下時為接收狀態(tài),此時IC2 腳送出低電平使NRF401進(jìn)入接收狀態(tài).同時按順序選通各個的晶體并在CS的配合下使接收頻點在4.44..從低至高順序變化.每個接收頻點工作時間為發(fā)射頻點工作時間的7倍.以保證在每個接收頻點的工作時間內(nèi)能接收到一次完整的發(fā)射信息.接收工作時序如下圖.
接收到的信息經(jīng)IC2處理解碼后從相應(yīng)的按鍵口送出.由于接收狀態(tài)的每一頻點的工作時間是發(fā)射的7倍.因此當(dāng)幾個發(fā)射跳頻圖普不同的發(fā)射同進(jìn)工作時.接收能分時接收每個發(fā)射的信息作出相應(yīng)輸出.在具有多個遙控器的遙控系統(tǒng)中保證了在兩個以上遙控器同時使用時,每一個遙控器的控制信息都能得到執(zhí)行.克服單一工作頻率的遙控系統(tǒng)中不能兩個遙控器同時使用的問題.同時多頻點工作方式也大大加強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力.在要求可靠性非常高的遙控系統(tǒng)中遙控器能通過接收器反送回的息了解操作是否得到執(zhí)行.

電路中EEPROM用于存放發(fā)射頻率跳變的順序和編碼數(shù)據(jù).