RFID-Test Per USB-Oszilloskop flexibel entwickeln und automatisieren

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Pico Technology Limited

Klassisches Box-Oszilloskop oder flexible Hardware für automatisierte Prozesse? Einen Mittelweg verspricht Pico mit seinem USB-Oszilloskop. Es bietet die Funktionen eines Oszilloskops und zusammen mit der Software lässt es sich flexibel in Prozesse integrieren.

Beim Einsatz von Messtechnik kommt es häufig vor, dass zunächst im Labor durchgeführte Messungen später automatisiert in der Serienfertigung durchgeführt werden sollen. Oft wurden Versuchsaufbauten und die Testumgebung für Labor und Serienfertigung separat entwickelt. Doch die Anforderungen an Labormesstechnik sind oft nur schwer mit denen für die Prozessautomatisierung vereinbar.

Klassische Oszilloskope bieten viele integrierte Messfunktionen, sie sind aber teuer und nehmen viel Platz ein. Im Gegensatz dazu gibt es für automatisierte Prozesse häufig flexible Hardware, die auf Integration ausgelegt ist. Die anwendungsspezifischen Prozesse müssen hier meist zeitaufwendig in eigener Software dargestellt werden.

Das Resultat ist, dass man vor der Entscheidung steht, hohe Kosten oder einen hohen Entwicklungsaufwand in Kauf zu nehmen. Die USB-Oszilloskope PicoScopes bieten einerseits das volle Anwendungsspektrum eines klassischen Tischgerätes und auf der anderen Seite Hard- und Software, die sich flexibel in Prozesse integrieren lässt. Am Beispiel einer RFID-Applikation wird ein Testverfahren entwickelt und dabei ein USB-Oszilloskop in eine Testumgebung integriert.

Wie die Signale über RFID übertragen werden

Radio Frequency Identification (RFID) nimmt stetig zu. Das reicht von Anwendungen in der Logistik und des Asset-Trackings bis zur kontaktlosen Zahlung oder der Müllentsorgung. Dazu müssen die RFID-Produkte Konformitätstests bestehen, bevor sie auf den Markt kommen. Für Konformitätsprüfungen sind Prüf- und Messgeräte wie Oszilloskope, Spektrumanalysatoren und Vektornetzwerkanalysatoren erforderlich.

Für eine erfolgreiche Prüfung müssen die Signale genau und effizient erfasst werden. Bild 1 zeigt die grundlegende Betriebstheorie von RFID. Das Lesegerät sendet eine Trägerwelle mit einer definierten Frequenz an das RFID-Tag. Das antwortet mit einem auf das Trägersignal amplitudenmodulierten Daten mit einigen übertragenen Informationen wie ID oder Name.

Die Puls-Intervall-Codierung (PIE)

Ein RFID-Codierungsansatz ist als Puls-Intervall-Codierung (PIE) bekannt. Es ist eine Variante der grundlegenden OOK-Modulation, um das Stromversorgungsproblem von passivem RFID zu lösen, da ein passives RFID-Tag von der Stromversorgung des Lesegeräts abhängt, um seine Schaltung zu betreiben.

Bei der PIE-Codierung wird eine binäre „1“ als kurzer Ausschaltimpuls nach einem langen Vollleistungsintervall codiert, und eine binäre „0“ wird als kürzeres Vollleistungsintervall mit demselben Ausschaltimpuls codiert. Das resultierende codierte Basisbandsignal M(t) wird dann verwendet, um den Träger zu modulieren.

Der Q-Faktor oder Qualitätsfaktor ist eine der wichtigen Spezifikationen von RFID-Produkten, die auf einem Verhältnis der Resonanzfrequenz f_c und ihrer 3-dB-Bandbreite B basiert. Gemäß der Definition ist B = f_c/Q, B x T >=1, daraus ergibt sich Q <= f_c x T. Die Variable T in Bild 2 zeigt die Dauer des Ausschaltimpuls. Ein höherer Q-Faktor ermöglicht es dem RFID-Tag oder Transponder, mehr Energie aus den vom Lesegerät emittierten Magnetfeldern zu extrahieren und zu speichern.

Je höher der Q-Faktor der Antenne in einem RFID-System, desto höher die ausgegebene Amplitude. Damit kann das RFID-System über eine größere Distanz kommunizieren. Ein höherer Q-Faktor könnte auch auf ein schmaleres Frequenzband hinweisen. Das führt dazu, dass das RFID-Tag anfälliger für Einflüsse von außen ist, durch die verschiedene Eigenschaften der Antenne verändert werden. Beispielsweise, wenn ein RFID-Tag auf ein Metallgehäuse geklebt wird.

USB-Oszilloskop für den Massentest

Der Q-Faktor kann basierend auf f_c und T berechnet werden. Die Werte lassen sich aus einer RFID-modulierten Wellenform gewinnen, die mit einem Oszilloskop aufgezeichnet wurde. Mit dem PicoScope 3406D lassen sich RFID-modulierte Wellenformen mit 13,56 MHz erfassen (Bild 3). Um sicher beide Zustände zu erfassen (1 und 0), wurde mithilfe des tiefen Speichers eine längere Aufnahme erstellt. Da Testeffizienz und -geschwindigkeit für viele Anwendungen entscheidende Faktoren sind, sollte die minimale Messdauer bei der Prüfplatzentwicklung erprobt werden.

USB-Oszilloskope im Allgemeinen und PicoScopes im Besonderen werden sehr häufig verwendet, um individuell erarbeite Testlösungen in Massentestszenarien zu integrieren. Das Software Development Kit von Pico deckt alle relevanten Programmiersprachen und Entwicklungsumgebungen ab. Alle notwendigen, erweiterten Triggersind sowohl in der PicoScope 7-Software als auch im SDK verfügbar.

Ein RFID-Signal erfassen und den Q-Faktor überprüfen

Der Level-Dropout-Trigger ist einer der erweiterten Trigger im PicoScope. Er reagiert nur auf Flanken, auf die nicht innerhalb einer definierten Zeit eine weitere Flanke folgt. So lässt sich das Ende einer Impulsfolge erfassen. In Bild 4 wird durch die gelbe Raute gezeigt wo das Oszilloskop triggert. Unterschreitet eine abfallende Flanke 400 mV und wird in den folgenden 60 µs dieser Pegel nicht mehr überschritten, löst der Trigger an genau dieser Stelle aus. Das Signal in Bild 4 simuliert somit die Eigenschaften, die 1- und 0-Signale im OOK-modulierten Signal haben.

Da der Pegelausfall-Trigger hier zuverlässig funktioniert, folgt im nächsten Schritt die Anwendung in der Praxis. Bild 4 zeigt, wie das gesuchte Ereignis in der modulierten Wellenform mit dem Pegelausfall-Trigger erfasst wird. Da bei RFID-Übertragungen häufig lange Pausen zwischen den Paketen auftreten, wird so sichergestellt, dass nur die benötigten Daten erfasst werden und unnötig große Datenmengen und aufwendige Suchen vermieden werden. Das spart Zeit in der Testphase und verbessert die Datenverarbeitungseffizienz, wenn der Algorithmus für automatische Tests geschrieben wird.

Das erfasste RFID-Signal in Bild 4 hat eine Träger-Frequenz von 13,56 MHz. Das zeigt die Messfunktion der Software PicoScope 7, die automatisch über mehrere aufgezeichnete Kurvenformen statische Daten erhebt. In Bild 6 wurde mithilfe von Linealen die Dauer des Ausschaltimpuls (T) gemessen. Das Ergebnis beträgt 2,945 µs.

Darüber lässt sich der Q-Faktor berechnen: Q <= f_c x T = 13,56 MHz x 2,945 µs = 40. Der nächste Parameter der für eine stabile Übertragung der Daten relevant ist die Flankensteilheit des Ausschaltimpuls. Also wie schnell der Prüfling das Trägersignal auf 0 zieht.

Die Zeit wird in Bild 5 als t₁ ermittelt. Oft ist nicht t₁ vorgegeben (Abfallgeschwindigkeit), sondern t₂, die Zeit in der die Amplitude garantiert unter einem definierten Wert bleibt. Damit das RFID-System zuverlässig funktioniert, muss sich t₂ im Fenster einer vorgegebenen minimalen und maximale Zeit befinden. Werden die Werte unterschritten oder überschritten, ist eine stabile Übertragung der Daten nicht gewährleistet, da es zu Fehlinterpretationen des Lesegerätes kommen kann.

Fokus auf kompakte Bauform und flexibler Softwareschnittstelle

Im Beispiel wurden die Parameter des RFID-Signals manuell in der PicoScope 7-Software gemessen. Mit PicoScope 7 wird sowohl ein flexibles Oszilloskop mit den Vorteilen der PC-basierten Steuerung in Kombination angeboten. Eine Prozessautomatisierung lässt sich in dieser daher nicht darstellen. Bei automatisierten Tests wird mit Individualsoftware gearbeitet. Dadurch ändern sich die Anforderungen an ein Oszilloskop.

Der Fokus richtet sich nicht auf einen großen Bildschirm und komfortabler Bedienung, sondern auf Punkte wie eine kompakte Bauform und eine flexible Softwareschnittstelle zur Softwareumgebung des Anwenders. Ein klassisches Tischoszilloskop bietet meist die Möglichkeit, über SCPI-Kommandos bis zu einem gewissen Grad automatisiert zu werden. Das ist allerdings systembasiert immer an die klassische Bedienung eines Oszilloskops gebunden. Eine tatsächliche Integration und eine schnelle Datenübertragung sind nicht vorgesehen.

Im Gegensatz dazu gibt es reine DAQ-Systeme (Data Acquisition Systeme), die primär auf die Erfassung von Rohdaten optimiert sind. Oszilloskop-Funktionen wie flexible Trigger oder Decoder müssen meist aufwendig vom Nutzer selbst entworfen werden. Ein kompaktes USB-Oszilloskop mit SDK bietet sich daher als Alternative für beide Anwendungsfälle an. Ein PicoScope vereint typische Oszilloskop-Funktionen wie Speicherverwaltung und reines Streamen der Rohdaten über eine schnelle Schnittstelle aus einem DAQ-System.

Der tiefe Speicher als Buffer

Die Trigger-Bedingung sortiert die Daten bereits vor. Somit lassen sich die Prozessorbelastung und die übertragene Datenmenge auf ein Minimum reduzieren. Sollte es in der Kommunikation durch andere Bus-Teilnehmer zu Verzögerungen kommen, dient der tiefe Speicher als Buffer. Die Datenverarbeitung und Berechnung der genannten Formeln, lassen sich mit ein paar wenigen Zeilen Code darstellen. Damit kann die Automatisierung theoretisch ein einfacher Einplatinencomputer darstellen. Das RFID-Q-Faktor Messsystem soll hingegen mit einem von Kunden zur Verfügung gestellten PC arbeiten.

Die Software ist so geschrieben, dass sie auf verschiedenen Windowsumgebungen funktioniert. Die Ansteuerung der verschiedenen Komponenten funktioniert über ein Modul, das primär als Hub dient. Somit reicht für Spannungsversorgung und Steuerung ein USB-Anschluss und das PicoScope kann direkt aus Windows heraus angesprochen werden. So konnte das im Labor erprobte Prinzip weiterverwendet werden, ohne dass für Testentwicklung und tatsächlichen Aufbau der Prozess und die Messtechnik geändert werden mussten.

* Derek Hu ist APAC-Marketingmanager und Patrik Gold ist Sales Manager. Beide arbeiten bei Pico Technology.

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