MDO混合域示波器在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)、研發(fā)與培訓(xùn)中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)與設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

隨著現(xiàn)代傳感器技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入人們的日常生活。以RFID、ZigBee技術(shù)和NFC近場(chǎng)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(duì)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(jì)一個(gè)實(shí)際的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備時(shí)，工程師仍然面臨著很多挑戰(zhàn)。其中一個(gè)最重要的因素是如何測(cè)量系統(tǒng)中時(shí)間相關(guān)的時(shí)域和頻域信號(hào)。RFID和ZigBee技術(shù)中應(yīng)用到的RF信號(hào)雖然不是十分復(fù)雜，但信號(hào)的質(zhì)量、功率和時(shí)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(xiě)、電源的工況甚至是系統(tǒng)延遲時(shí)間的大小，都會(huì)決定整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。傳統(tǒng)的示波器或頻譜分析儀是無(wú)法完成這種時(shí)間相關(guān)的時(shí)域和頻域信號(hào)綜合調(diào)試工作的。
MDO混合域示波器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念

泰克MDO4000系列混合域示波器獨(dú)特的創(chuàng)新理念，為調(diào)試跨域的時(shí)頻相關(guān)的系統(tǒng)提供了獨(dú)一無(wú)二的工具。MDO4000在一臺(tái)全功能的混合信號(hào)示波器的基礎(chǔ)上，增加了一臺(tái)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(cè)量功能。完全獨(dú)立的示波器時(shí)域采集系統(tǒng)和頻譜分析儀頻域采集系統(tǒng)，既可以獨(dú)立工作，也可以通過(guò)觸發(fā)協(xié)同工作。通過(guò)移動(dòng)頻譜時(shí)間，用戶可以在示波器采集到的時(shí)間窗口內(nèi)，觀測(cè)在射頻通道采集到的任何一點(diǎn)的RF信號(hào)的頻譜情況。MDO還提供了RF信號(hào)的幅度、頻率和相位相對(duì)于時(shí)間變化的調(diào)制域分析功能。這些獨(dú)有的功能幫助用戶測(cè)量RF信號(hào)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(gè)問(wèn)題是如何準(zhǔn)確地觸發(fā)并捕獲到關(guān)心的RF信號(hào)。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(diǎn)。MDO4000不但可以通過(guò)RF信號(hào)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(guò)基帶或控制信號(hào)完成RF信號(hào)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(shí)，工程師面臨的一個(gè)重要的困難是如何測(cè)量標(biāo)簽的返回信號(hào)。由于標(biāo)簽返回信號(hào)的幅度很小，使用普通的示波器往往難以捕獲這一信號(hào)，更不要說(shuō)對(duì)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(dòng)態(tài)范圍只有40dB，無(wú)法捕獲微弱的標(biāo)簽信號(hào)。MDO4000具有60dB的動(dòng)態(tài)范圍，以及低至-152dB/Hz 的底噪，能夠很好地勝任同時(shí)捕獲讀寫(xiě)器信號(hào)和標(biāo)簽信號(hào)的任務(wù)。其獨(dú)特的AvsT射頻信號(hào)幅度的時(shí)域波形功能，甚至可以顯示標(biāo)簽信號(hào)幅度變化過(guò)程。
下面我們以一個(gè)13.56MHz的RFID讀寫(xiě)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(xiě)器
測(cè)試13.56MHzRFID讀寫(xiě)器的RF信號(hào)質(zhì)量參數(shù)
13.56MHz高頻RFID系統(tǒng)是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛，技術(shù)較為成熟的射頻識(shí)別系統(tǒng)。相關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(hào)的幅度（功率）隨時(shí)間變化的情況，標(biāo)準(zhǔn)有著嚴(yán)格的規(guī)定。以讀寫(xiě)設(shè)備為例，讀寫(xiě)設(shè)備發(fā)出的載波信號(hào)的幅度變化時(shí)間，必須符合ISO18000-3標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于t1-t4的時(shí)間限制。
 
圖二    ISO18000-3 13.56MHz RFID空中接口時(shí)間參數(shù)規(guī)范
通過(guò)使用MDO4000獨(dú)特的觸發(fā)功能，用戶可以輕松穩(wěn)定捕獲RFID的時(shí)域和頻域信號(hào)。如圖所示，由于載波信號(hào)幅度在變化，使用傳統(tǒng)手段很難測(cè)量出RF信號(hào)從90%下降到5%的T1的時(shí)間長(zhǎng)度。我們可以打開(kāi)AvsT調(diào)制曲線，它代表了RF信號(hào)的幅度相對(duì)于時(shí)間變化的軌跡。通過(guò)自動(dòng)測(cè)量或手動(dòng)光標(biāo)測(cè)量，我們可以輕松得到T1的準(zhǔn)確時(shí)間。同理可以完成其他時(shí)間參數(shù)的測(cè)試。
 
圖三  13.56MHzRFID  PCD到PICC信號(hào)的時(shí)域和AvsT調(diào)制域波形

 
圖四  測(cè)量PCD發(fā)射信號(hào)與標(biāo)簽返回信號(hào)間的延遲時(shí)間

測(cè)試PCD到PICC的讀寫(xiě)時(shí)間
另一個(gè)需要嚴(yán)格保證的時(shí)間是從讀寫(xiě)器發(fā)出讀卡信號(hào)后到標(biāo)簽返回信號(hào)的時(shí)間。過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短的時(shí)間都會(huì)被認(rèn)作讀寫(xiě)失敗。使用傳統(tǒng)儀器測(cè)量這些信號(hào)的難度很大。MDO4000可以將RF信號(hào)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(shí)間。
 
圖五  13.56MHz RFID射頻信號(hào)的時(shí)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(guò)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(hào)的載波是13.56MHz，副載波信號(hào)為±800KHz左右。符合相關(guān)規(guī)定的要求。如果需要測(cè)量射頻信號(hào)的射頻參數(shù)，如信道功率、鄰道功率比或占用帶寬等，通過(guò)選擇MDO4000的自動(dòng)測(cè)量功能，可以在屏幕中直接顯示這些測(cè)量結(jié)果。
如果設(shè)計(jì)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(hào)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(jì)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(jì)算得出RF信號(hào)的幅度時(shí)域波形，計(jì)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(hào)代表的數(shù)據(jù)解碼顯示出來(lái)。簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)人員的調(diào)試難度。
 
圖六  RSAVu自動(dòng)測(cè)試和解碼功能

MDO的系統(tǒng)級(jí)調(diào)試和分析功能
RFID讀寫(xiě)器是一個(gè)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)。基帶控制信號(hào)和系統(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(cè)試的讀寫(xiě)器為例，NXP CLRC632讀寫(xiě)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(cè)試系統(tǒng)控制信號(hào)與TX和RX信號(hào)的時(shí)序關(guān)系

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

圖八  通過(guò)SPI總線捕獲寄存器狀態(tài)數(shù)據(jù)
單片機(jī)芯片與讀寫(xiě)控制芯片之間通過(guò)SPI總線通信。讀寫(xiě)控制芯片的實(shí)際工作功能，通過(guò)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(shí)鐘和模式。當(dāng)該寄存器的第三位至第五位的值為000時(shí)，則編碼速率為848KB，當(dāng)數(shù)值為011時(shí)，則為一個(gè)典型的ISO1443A編碼標(biāo)準(zhǔn)，碼速率為106KB，數(shù)值為100時(shí)為ISO1443 TYPE B的編碼速率。這調(diào)試實(shí)戰(zhàn)中，如果我們發(fā)現(xiàn)頻譜副載波信號(hào)的頻率與我們?cè)O(shè)計(jì)的傳輸碼速率不一致時(shí)，我們可以通過(guò)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(lèi)問(wèn)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(jì)調(diào)試中發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)通信不能建立的問(wèn)題，可以檢查這三位的數(shù)值，核查實(shí)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(duì)應(yīng)的編碼形式。

總結(jié)
MDO4000混合信號(hào)示波器獨(dú)有的時(shí)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(cè)量信號(hào)的模擬波形、頻譜狀況和各種頻域參數(shù)，更可以通過(guò)AvsT、FvsT和ΦvsT這些調(diào)制域軌跡，簡(jiǎn)便地驗(yàn)證產(chǎn)品是否符合國(guó)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(hào)、數(shù)字信號(hào)和總線信號(hào)，與射頻信號(hào)在時(shí)間上關(guān)聯(lián)起來(lái)，我們既可以通過(guò)這些信號(hào)時(shí)序關(guān)系，驗(yàn)證系統(tǒng)實(shí)際工作的過(guò)程，也可以通過(guò)對(duì)總線信號(hào)、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(chǎng)中唯一一種能夠提供此類(lèi)功能的測(cè)試儀器。我們希望MDO4000能夠加速物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，為整個(gè)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(hào)示波器（如果設(shè)計(jì)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(jí)射頻觸發(fā)模塊
專用標(biāo)簽天線工裝
泰克近場(chǎng)探頭套件（型號(hào)：119414600，100KHz-1GHz）
BNC電纜
BNC三通適配器