CN104700131B - 基于虚拟仪器的动物标签测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于虚拟仪器的动物标签测试系统，系统的物理层发射机和接收机在PXIe平台上的LabVIEW FPGA中实现，其中核心部件是中频收发器PXIe‑5641R。其中发射机基带信号处理部分主要由组帧，CRC校验，编码，调制组成，然后利用LabView FPGA中的射频模块部分，实现与PXIe硬件的交互。接收机基带信号处理部分由低通滤波模块，自适应阈值同步模块，解调模块和解码模块组成，最终接收机能够正确地将标签返回的信息进行解析。与现有技术相比，本发明的测试系统实现简单、运算速度快、实时性高，并且系统的灵活性和可移植性得到大大提高。
Description
技术领域
本发明属于电子无线通信领域，具体涉及一种通过PXIe虚拟仪器平台搭建的动物标签测试系统。
背景技术
1.动物标签技术
近年来，随着网络的发展，射频识别(RFID,Radio Frequency Identification)作为一种实时、快速、准确采集与处理信息的高新技术，通过对包括零售商品、物流单元、生产零部件等实体对象的唯一有效标识，正被广泛应用于物流管理，高速公路收费管理，生产自动化等众多领域。
动物标签是指对动物个体或群体进行标志，就是利用特定的标签，以RFID技术手段与需要识别的动物相对应，这样就可以随时对动物的相关属性进行跟踪与管理。对动物进行跟踪和识别的主要用途在于：(1)对外来动物疾病进行控制，监督与预防；(2)加强官方对动物的接种与疾病预防管理；(3)动物产品效能管理和顾客关心的食品安全性问题的需要。(4)国际贸易的安全性和风险管理的需要。
动物标签属于低频电子标签，低频电子标签工作频率范围是30kHz～300kHz，其中动物标签工作频率为134.2kHz。动物标签工作原理是通过电感耦合方式从读写器耦合线圈的辐射场中获得能量，读写距离小于1米。动物标签的优点是省电廉价，可穿透性强，非常适用于距离近、速度低和数据量要求少的识别应用。
2.虚拟仪器技术
所谓虚拟仪器(VI，Virtual Instrument)，是以通用计算机为核心，根据用户对仪器的设计定义，用软件实现虚拟控制面板设计和测试功能的一种计算机仪器系统。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入和输出，软件才是整个仪器系统的关键，使用者可以通过修改软件很便捷地改变仪器系统的功能和规模，所以说“软件就是仪器”。
在虚拟仪器技术中，使用范围最广的编程语言是由NI公司开发的LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)图形化编程语言。LabVIEW共有三个图形化编程面板：第一个是前面板，即用户接口。用于向程序中输入各种控制参数，并以图形或数字等各种形式输出测试结果，相当于传统仪器的面板。利用LabVIEW强大的界面功能，前面板可以做的和传统仪器面板非常相似，并且还可以给工程师提供创新的空间，按照工程师自己的想法和思路重新设计出新的富有个性的界面。第二个是程序框图，即源代码面板。程序框图利用图形化编程，无需敲写繁杂的文本代码，只需用连接线把需要的图标连接即可。相当于传统仪器中用来实现仪器功能的零部件和接线。第三个是函数面板，即含有大量函数模块的面板。用户可以即选即用，通过该模块集，用户可以大大简化工作量，提高工作效率。
传统的测试仪器系统的硬件平台搭建方式较为复杂，需要自行开发或者购买相应的功能模块再进行调试和开发，开发周期长，实验过程复杂，并且不灵活。因此如何充分利用虚拟仪器技术，快速构建一种实时性高且功能易扩展的动物标签测试系统是本发明需要研究的课题。
发明内容
为解决现有技术不足，本发明目的在于提出了一种基于虚拟仪器技术的动物标签测试系统，实现系统构建周期短、运算速度快、实时性高，并且提高系统的灵活性和可移植性。
为实现上述发明目的采用如下技术方案：
一种基于虚拟仪器的动物标签测试系统，系统中的物理层发射机和接收机为基于PXIe模块化仪器利用LabVIEW FPGA实现的发射机和接收机，系统包括PXIe主控器、PXIe中频信号收发器、PXIe总线背板、平板天线和动物标签；主控器通过PXIe总线背板与中频信号收发器连接，用于通过背板总线把用户配置信息传送给中频信号收发器，以及接收并显示中频信号收发器反馈的显示内容信息；所述用户配置信息包括硬件设备类型、动物标签中心载频频率、功率增益、测试命令类型和发送数据协议相关参数配置；所述显示内容信息包括发射机的发送信号波形图和接收到的动物标签返回的整体信号波形图；中频信号收发器与平板天线连接，用于对用户配置信息进行基带信号的编码和调制并通过平板天线把信号发送给动物标签，以及通过平板天线接收动物标签的响应信号并进行解调和解码得到显示内容信息。
进一步地，主控器和中频信号收发器之间通过FIFO和全局变量实现数据传输与共享。
进一步地，中频信号收发器中设有发射机模块，发射机模块包括通信起始模块、组帧模块、CRC校验模块、编码模块和调制模块；通信起始模块，用于识别标签并将标签激活为高级标签；组帧模块，用于将发送命令进行组帧，转化为比特流；CRC校验模块，用于对比特流进行CRC校验计算，并将CRC校验码附加在比特流之后；编码模块模块，用于对比特流进行PIE编码，得到基带信号；调制模块，用于将基带信号调制为射频信号。
进一步地，中频信号收发器中还设有接收机模块，接收机模块包括低通滤波模块、自适应阈值同步模块、解调模块、解码模块和协议解析模块；低通滤波模块，用于对经过AD转换后的标签响应信号进行滤波，去除高频部分；自适应阈值同步模块，用于对低通滤波后的信号进行同步，得到标签响应信号的同步头；解调模块，用于对同步后提取到的有用的标签响应信号进行解调，得到比特流；解码模块，用于将对比特流进行解码，恢复编码前的数据；协议解析模块，用于从解码后的数据中解析出相应的数据字段，并进行CRC校验和协议一致性测试。
进一步地，所述编码模块采用的编码方法包括如下步骤：
(11)初始化，编码后比特流为0，编码比特数为0，编码后长度为0；
(12)向编码后比特流中加入帧头SOF，SOF为01101111；
(13)判断编码比特数有没有超过命令长度，如果超过命令长度，向编码后比特流中加入帧尾EOF，EOF为01111111，编码完毕，结束；
(14)如果没有超过命令长度，判断码元是0还是1；
(15)如果码元是1，编码为0111，同时编码后长度加4；如果码元是0，编码为011，同时编码后长度加3；
(16)编码比特数加1，重新执行步骤(13)～步骤(16)，直至编码完毕。
进一步地，所述解码模块采用的解码方法包括如下步骤：
(21)初始化计数器为0，设置32位寄存器存放需要解码的比特；
(22)当计数器小于32时，将比特按顺序放入寄存器中，计数器递增，当计数器为32时，进入步骤(23)；
(23)当寄存器中数值在ffff0000～ffff00ff之间或者在0000ffff～00ffffff之间，得到解码码元为0，记解码正确；
(24)当寄存器中数值在00000000～000000ff之间或者等于ffffffff，得到解码码元为1，记解码正确；
(25)当寄存器中数值不在上述数值之间，记解码错误；
(26)每32个比特解码结束过后，计数器重新初始化为0，重新执行步骤(22)～步骤(26)，进行下次解码。
进一步地，所述自适应阈值同步模块采用的方法包括如下步骤：
(31)初始化判断最大值等于CW波均值，判断极大值等于CW波均值，连续上升点数等于0；
(32)将采样点的值与最大值做比较；
(33)如果采样点的值大于最大值，将采样点的值赋给最大值，如果采样点的值小于最大值，则最大值不变；
(34)将采样点的值与极大值做比较；
(35)若采样点的值大于极大值，则连续上升点数加1；如果连续上升点数达到设定的阈值，则找到了有效上升沿信号同步头，进入解调模块，结束；
(36)若采样点的值小于极大值，则连续上升点数清零，最大值赋给极大值，作为下一次比较的门限，重新执行步骤(32)～步骤(36)。
本发明的有益效果如下：本发明的核心是采用虚拟仪器的技术实现动物标签测试系统的发射机和接收机。这项技术的实现依赖于LabView图形化编程语言和PXIe模块化仪器。利用LabView FPGA快速高效地实现了发射机和接收机的射频模块和基带处理模块。并且利用PXIe仪器技术实现了与硬件的快速交互。与现有技术相比，本发明所设计的动物标签测试系统，实验过程简单，性能优良，可重用性好。硬件搭建平台十分方便，所用硬件都无需自己开发，只需将选择好的硬件连接起来即可。
在LabVIEW FPGA中用软件实现发射机和接收机的各个模块功能，由于FPGA运算速度较快，所以和传统测试仪器相比，系统实时性提高一个数量级。在上位机HOST中用软件实现测试模块的功能，后续如果需要进行功能优化或者增加测试项，只需修改或添加相应的软件模块即可，并且用户可以自己选择发射机要发送的命令，并且接收机可以快速解析出标签回复的应答信号，并将应答信号进行显示。和现有测试系统相比，本发明不仅能在上位机HOST中选择命令和显示应答信号，本发明还可以显示发送命令和接收信号的具体波形，通过具体波形，用户可以清晰观察到信号组帧、编码、解调和解码全过程，以及信号各项指标是否满足动物标签协议要求，从而有针对性地提高标签的性能。因此和传统测试仪器相比，系统的灵活性和可移植性大大提高。
同时，本发明的编码和解码算法在FPGA中实现，系统实时性较高。进一步的，本发明采用自适应阈值同步算法，与传统的单一判决门限算法相比，自适应阈值同步算法根据极大值动态的更新判决门限，只有连续高于动态门限设定个数(如30个)点的信号才被判决为有用信号，大大提高了同步的准确性。
附图说明
图1为本发明动物标签测试系统的硬件结构图；
图2为本发明动物标签测试系统的软件结构图；
图3为本发明动物标签测试系统中发射机整体流程图；
图4为本发明动物标签测试系统中接收机整体流程图；
图5为本发明系统中发射机的PIE编码流程图；
图6为本发明系统中接收机的自适应阈值同步流程图；
图7为本发明系统中接收机的ASK解调模块图；
图8为本发明系统中接收机的差分双相解码流程图；
图9为本发明系统中接收机的协议解析结果图；
图10为本发明系统中测试系统的配置模块图；
图11为本发明系统中发送信号波形图；
图12为本发明系统中整体信号波形图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
1.基于虚拟仪器的动物标签测试系统物理层硬件结构
如附图1所示，整个系统采用NI模块化仪器进行开发，模块间数据经过PXIe背板总线进行传输共享，主要有四个部分，分别为：内嵌有总线背板的NI PXIe-1062Q机箱，NIPXIe-8115主控器，中频信号收发器PXIe-5641R和平板天线。系统运行的主要步骤如下：
步骤一：主控器通过背板总线把用户配置传送给中频收发器PXIe-5641R。
步骤二：中频收发器完成基带信号的编码和调制后，通过平板天线把信号发送给标签。
步骤三：标签接收到测试系统发射机的发送信号后，通过自身的电路对信号进行解调解码，然后将要返回的信号反向散射给天线。
步骤四：接收天线直接和中频收发器输入端连接，中频收发器对标签的信号进行解调解码，并通过背板总线把需要显示的内容传给主控器显示。
2.基于虚拟仪器的动物标签测试系统物理层软件结构
如附图2所示，整个系统软件开发语言为LabVIEW。软件架构主要分为二个部分，其中在中频收发器PXIe-5641R FPGA中进行的物理层发射机和接收机的开发称为底层。在上位机(即主控器)中完成硬件的配置和对标签数据的射频测试与协议一致性测试，称为上层。系统运行时，上层与底层交互的步骤如下：
步骤一：上层通过全局变量向物理层发射机传递待发送命令的二进制数据流。
步骤二：物理层发射机将组帧模块，CRC计算模块，编码模块和调制模块用LabView编写好后导入LabVIEW FPGA中，然后在FPGA中将已调制的信号通过DA发送出去。
步骤三：标签接收到有效信号后，将需要回复的信号经天线发送给物理层的接收机。
步骤四：物理层接收机将接收到的经AD采样后的标签信号通接收机模块，接收机模块对标签信号进行滤波、同步、解调解码后，将标签的ID等信息通过全局变量传递到HOST中。同时经AD采样后的信号会通过FPGA to HOST先入先出寄存器(FIFO)传递给上层HOST，供HOST进行显示和进行射频测试与协议一致性测试。
3.物理层发射机各模块实现功能
物理层发射机流程图如图3所示，各模块功能如下：
(1)通信起始模块
动物标签刚开始执行ISO 11785协议，测试系统发射机发送一段50ms高电平，当标签处于测试系统发射机射频场之内，标签回复64位ID，当标签64位ID的第15位是1时，测试系统发射机发送SWITCH命令或者以SOF开始的有效命令将标签激活为可以执行ISO 14223协议的高级标签。
(2)组帧模块
当标签进入高级标签后，发射机对要发送的6条必选命令(根据ISO 14223协议规定，发射机发送的命令分为必选命令和可选命令，本实施例测试系统只实现必选命令。其中必选命令共6条：Inventory命令,Inventory ISO 11785命令,Stay Quiet命令,Read UID命令,Read Multiple Blocks命令和Write Single Block命令)进行组帧，其中命令帧包含SOF，标志位，命令代码，参数，数据，CRC和EOF共7个部分。发射机组帧模块将标志位，命令代码，参数和数据组帧完毕后，需要将数据进行CRC计算。
(3)CRC校验模块
动物标签协议规定，组帧完成后进行CRC计算，并将16位CRC计算结果附加在帧后进行下一步的编码，CRC特点是：反向CRC；发送的数据流总是从最低有效位(LSB)开始；移位寄存器所有16位预置0；寄存器最低有效位与寄存器最低位异或操作后移位进入寄存器的最高有效位。
(4)PIE(Pulse Invertal Encoding)编码模块
PIE编码模块流程图如图5所示，执行步骤如下：
步骤一：初始化，编码后比特流frame＝0，编码比特数i＝0，编码后长度frame_length＝0；
步骤二：加入帧头SOF(01101111)；
步骤三：判断编码比特数有没有超过命令长度，如果超过命令长度，说明编码完毕，加入帧尾EOF(01111111)，同时frame_rdy赋值为1，说明编码完毕；
步骤四：如果没有超过命令长度，判断码元是0还是1；
步骤五：如果码元是1，编码为0111，同时编码后长度加4；如果码元是0，编码为011，同时编码后长度加3；
步骤六：编码比特数加1，重新执行步骤三～步骤六，直至编码完毕。
(5)调制模块
编码结束后，需要将基带编码信号调制为射频信号。PXIe-5641R默认工作在I/Q交织发射模式，在本系统中，由于发射机采用的是100％ASK调制，所以，在I路将给DA一个固定值，而Q路值则为0。由于本系统DA为有符号14位，所以我们给了I路值为8191(十六进制为1fff)。I路和Q路需要轮流发送。
4.物理层接收机各模块实现功能
物理层接收机流程图如图4所示，各模块功能如下：
(1)低通滤波模块
接收机中接收到的是经过AD采样后的IQ两路原始信号，首先需要将IQ两路信号取模合并成一路幅度值，即然后经过低通滤波处理，将高频部分滤除后进行同步、解调和解码处理；
(2)自适应阈值同步模块
自适应阈值同步模块流程图如图6所示，步骤如下：
步骤一：初始化最大值max_val等于CW波(Continuous Wave,连续波)均值aver_val，极大值h_local等于CW波均值aver_val，连续上升点数dot_rising等于0。
步骤二：将采样点的值RDATA与最大值max_val做比较；
步骤三：如果RDATA大于max_val，将RDATA赋给max_val，如果RDATA小于max_val，则最大值不变，仍然为max_val，即max_val始终是CW波的最大值。
步骤四：比较采样点的值RDATA与极大值h_local的大小，若采样点的值大于极大值，则有可能是标签回复的信号，dot_rising加1。
步骤五：如果连续30个采样点的值都是大于极大值h_local的，则有理由相信这段信号是标签信号，而不是噪声信号，因为噪声信号是随机的，一般不可能连续30个点都大于极大值。
步骤六：此时同步信号bit_syn＝1,上升沿信号rising_edge＝1,说明找到了有效上升沿信号同步头。
步骤七：若采样点的值小于极大值，则一定不是标签信号，因为标签信号是叠加在CW波之上，标签信号的同步头是一段上升沿高电平。此时高电平计数器dot_rising清零，最大值赋给极大值，作为下一次比较的门限。重新执行步骤二～步骤七。
(3)ASK解调模块
ASK解调模块流程图如图7所示，步骤如下：
步骤一：设置sum_period表示一个周期内的信号累加值，并初始化为0。设置threshold表示标签信号阈值，并初始化为0。
步骤二：求出一个周期93个点的平均值作为阈值。
步骤三：当采样点的值大于阈值，判决为1，当采样点的值小于阈值，判决为0。
(4)差分双相解码模块
差分双相解码模块流程图如图8所示，步骤如下：
步骤一：初始化计数器word_count为0，设置32位寄存器mdbp_bit[31：0]存放需要解码的比特。
步骤二：当计数器小于32时，将比特按顺序放入寄存器中，当word_count为32时，表示寄存器中已经存入32个比特。
步骤三：当mdbp_bit在ffff0000～ffff00ff(十六进制)之间或者在0000ffff～00ffffff之间，decode＝0，表示码元为0；同时decode_error为0，表示解码正确。
步骤四：当mdbp_bit在00000000～000000ff之间或者等于ffffffff，decode＝1，表示码元为1；同时decode_error为0，表示解码正确。
步骤五：当mdbp_bit不在上述数值之间，decode_error为1，表示解码错误。
步骤六：每32个比特解码结束过后，word_count重新初始化为0，重新执行步骤二～步骤六，进行下次解码。
(5)协议解析模块
从图9解码出的码元中分别取出SOF，64位ID，CRC16和EOF。将SOF，64位ID和EOF分别与协议进行比较，即可得到是否符合ISO 11784/5协议要求的测试结果。将解码出的CRC16与理论值进行比较，完成CRC校验，得到是否符合理论值的测试结果。
5、物理层发送信号和整体波形测试
步骤一：点击“配置”，进入图10所示界面。
步骤二：配置RIO设备为FPGA。
步骤三：配置动物标签中心载频为134.2kHz。
步骤四：配置功率增益为25dB。
步骤五：通过cmd_type选择测试命令为Write Single Block命令。
步骤六：配置48位uid为f00000000449(十六进制)。
步骤七：配置需要读取的block_number个数为40(十六进制)。
步骤八：配置block起始地址block_address为04(十六进制)。
步骤九：配置32位写入字word_to_write为00000440(十六进制)。
步骤十：点击“发送”按钮。
步骤十一：点击“发送信号”，可看到发送信号波形如图11所示。
步骤十二：点击“整体波形”，可看到整体信号波形如图12所示。
Claims (4)
1.一种基于虚拟仪器的动物标签测试系统，其特征在于，系统中的物理层发射机和接收机为基于PXIe模块化仪器利用LabVIEW FPGA实现的发射机和接收机，所述系统包括PXIe主控器、PXIe中频信号收发器、PXIe总线背板、平板天线和动物标签；
所述主控器通过PXIe总线背板与中频信号收发器连接，用于通过背板总线把用户配置信息传送给中频信号收发器，以及接收并显示中频信号收发器反馈的显示内容信息；所述用户配置信息包括硬件设备类型、动物标签中心载频频率、功率增益、测试命令类型和发送数据协议相关参数配置；所述显示内容信息包括发射机的发送信号波形图和接收到的动物标签返回的整体信号波形图；
所述中频信号收发器与平板天线连接，用于对所述用户配置信息进行基带信号的编码和调制并通过平板天线把信号发送给动物标签，以及通过平板天线接收动物标签的响应信号并进行解调和解码得到所述显示内容信息；
所述中频信号收发器中设有发射机模块，所述发射机模块包括通信起始模块、组帧模块、CRC校验模块、编码模块和调制模块；
所述通信起始模块，用于识别标签并将标签激活为高级标签；
所述组帧模块，用于将发送命令进行组帧，转化为比特流；
所述CRC校验模块，用于对比特流进行CRC校验计算，并将CRC校验码附加在比特流之后；
所述编码模块，用于对比特流进行PIE编码，得到基带信号；
所述调制模块，用于将基带信号调制为射频信号；
所述中频信号收发器中设有接收机模块，所述接收机模块包括低通滤波模块、自适应阈值同步模块、解调模块、解码模块和协议解析模块；
所述低通滤波模块，用于对经过AD转换后的标签响应信号进行滤波，去除高频部分；
所述自适应阈值同步模块，用于对低通滤波后的信号进行同步，得到标签响应信号的同步头；
所述解调模块，用于对同步后提取到的有用的标签响应信号进行解调，得到比特流；
所述解码模块，用于将对比特流进行解码，恢复编码前的数据；
所述协议解析模块，用于从解码后的数据中解析出相应的数据字段，并进行CRC校验和协议一致性测试；
所述自适应阈值同步模块采用的方法包括如下步骤：
（31）初始化判断最大值等于CW波均值，判断极大值等于CW波均值，连续上升点数等于0；
（32）将采样点的值与最大值做比较；
（33）如果采样点的值大于最大值，将采样点的值赋给最大值，如果采样点的值小于最大值，则最大值不变；
（34）将采样点的值与极大值做比较；
（35）若采样点的值大于极大值，则连续上升点数加1；如果连续上升点数达到设定的阈值，则找到了有效上升沿信号同步头，进入解调模块，结束；
（36）若采样点的值小于极大值，则连续上升点数清零，最大值赋给极大值，作为下一次比较的门限，重新执行步骤（32）~步骤（36）。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的动物标签测试系统，其特征在于，所述主控器和中频信号收发器之间通过FIFO和全局变量实现数据传输与共享。
3.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的动物标签测试系统，其特征在于，所述编码模块采用的编码方法包括如下步骤：
（11）初始化，编码后比特流为0，编码比特数为0，编码后长度为0；
（12）向编码后比特流中加入帧头SOF，SOF为01101111；
（13）判断编码比特数有没有超过命令长度，如果超过命令长度，向编码后比特流中加入帧尾EOF，EOF为01111111，编码完毕，结束；
（14）如果没有超过命令长度，判断码元是0还是1；
（15）如果码元是1，编码为0111，同时编码后长度加4；如果码元是0，编码为011，同时编码后长度加3；
（16）编码比特数加1，重新执行步骤（13）~步骤（16），直至编码完毕。
4.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的动物标签测试系统，其特征在于，所述解码模块采用的解码方法包括如下步骤：
（21）初始化计数器为0，设置32位寄存器存放需要解码的比特；
（22）当计数器小于32时，将比特按顺序放入寄存器中，计数器递增，当计数器为32时，进入步骤（23）；
（23）当寄存器中数值在ffff0000~ffff00ff之间或者在0000ffff~00ffffff之间，得到解码码元为0，记解码正确；
（24）当寄存器中数值在00000000~000000ff 之间或者等于ffffffff，得到解码码元为1，记解码正确；
（25）当寄存器中数值不在上述数值之间，记解码错误；
（26）每32个比特解码结束过后，计数器重新初始化为0，重新执行步骤（22）~步骤（26），进行下次解码。
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