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改善資料擷取效能的全新匯流排技術
新興的電腦匯流排技術可改良資料擷取系統,並且克服未來的量測應用挑戰

【作者: NI美商國家儀器】   2013年06月17日 星期一

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早期的電腦架構資料擷取系統包含了桌上型電腦與內接的插入式 I/O 介面卡。雖然目前如:配備類比轉數位轉換器 (ADC) 的 I/O 裝置、已安裝軟體的電腦,以及銜接兩者的匯流排介面的基礎架構維持不變,但這幾年以來每一元件都經過改良。全新的電腦與匯流排技術可讓工程師滿足全新應用需求。


舉例來說:筆記型電腦與 USB 的興起提升了電腦架構資料擷取系統的便攜性,方便使用者存取資料,進而發揮電腦架構量測的優勢。PCI Express 與 PXI Express 技術還可以大幅增加多通道數與高取樣率應用的運作效能。全新的無線技術可節省昂貴的接線成本,並且放大資料擷取的地域範圍。


隨著現代汽車、機器與基礎建設越變越複雜,工程師與科學家也必須在更多地點量測更多狀況與條件。應用項目不只需要更高的資料傳輸率,也必須減少耗電量、縮小體積,並且拓展到更多的新地點。各種全新匯流排技術興起之後,不僅改良了資料擷取系統,還有助於因應未來的量測應用需求。


PCI Express 4.0

Intel 在 2004 年推出 PCI Express 這種桌上型電腦最常用的匯流排介面。其效能遠超過上一代的 PCI 產品。PCI 的理想峰值頻寬為 132 MB/s,並且由多個裝置共用;相較之下,PCI Express 可提供專屬頻寬給每個裝置,最多 16 個資料通道,而且每個通道最高可提供 250 MB/s。如果單一裝置全數安裝共 16 個通道,每個裝置的頻寬可高達 4 GB/s。搭載 PCI Express 技術的 PXI Express 系統也可提供相同優勢。


PCI-SIG 是開發此標準的組織,組織內的工程師更是精益求精。這些工程師反覆測試此標準,過去幾年來推出許多修改版本,藉此逐步提升效能。PCI Express 4.0 是新一代的主要匯流排版本,可支援 16 GT/s,換算過來每通道頻寬可高達 2 GB/s,結合所有 16 個通道的單一裝置頻寬則是 32 GB/s。如果高效能資料擷取系統需要 PCI Express 或 PXI Express 的資料傳輸率,PCI Express 4.0 則可提供 8 倍之多的資料傳輸率,能以更高的解析度與更快的取樣率來串流更多通道。目前 PCI Express 4.0 仍處於開發階段,預計在 2014–2015 年上市。


USB 3.0

USB 可說是電腦史上最普及的匯流排介面,幾乎 100% 的電腦與裝置製造商都會採用 USB。這款匯流排可取代電腦背面的接頭,簡化連接裝置的軟體設定,包含資料擷取裝置在內,所以能夠輕易把外接裝置連接至電腦。


USB 3.0 (SuperSpeed) 是最新版本,不僅大幅提升效能,還能與現有的 USB 裝置順利相容。USB 2.0 (Hi-Speed) 的最大傳輸率為35 MB/s,相較之下 USB 3.0 採用了 4 條額外接線,搭載全雙工通訊,傳輸率最高可達 625 MB/s。單一匯流排連接埠所能提供的最大功率增加到 900 mA,因此匯流排可供電給更多的裝置,不需要外接電源。如要達到更高的資料傳輸率,就必須重新設計接線接頭;不過 USB 3.0 仍可以與 USB 2.0 連接埠向下相容。


如果把 USB 3.0 搭配最新的資料擷取技術,或許就可以打造出簡便的可攜式系統,還能提供高效能與高傳輸率等好處。電腦供應商已開始陸續提供 USB 3.0 技術。


Thunderbolt

Thunderbolt 由 Intel 與 Apple 攜手開發,是一種全新的匯流排技術,目的在於將資料、視訊、音訊、電力整合至單一連接埠,進一步把多個接線統整為單一接線。其效能是 USB 3.0 的 2 倍,每個裝置的傳輸率最高可達 1.25 GB/s。Thunderbolt 的效能可以如此驚人的原因在於 PCI Express 技術。每一個 Thunderbolt 連接埠都可提供最多 10 W 的電力給已連接的裝置。


儘管 Thunderbolt 明顯勝過 USB 3.0,但這種技術還處於起步階段,可能需要一段時間才會像 USB 那麼普及並廣泛用於資料擷取系統。


Power-over-Ethernet+

Power-over-Ethernet (乙太網路供電,簡稱 PoE) 可透過乙太網路接線安全提供電力並傳輸資料。透過 2 組以上乙太網路線常見的差動對 (Differential Pair) 接線,專門設備即可用來供電。最新的 IEEE 802.3at2009 標準 (也稱為 PoE+) 可提供高達 25.5 W 的電力,運作距離長達 100 公尺。


企業網路管理人員最常採用 PoE 來佈署企業網路;但隨著資料擷取系統搭配乙太網路匯流排的頻率持續增加,也越來越受到工程師與科學家的歡迎。雖然 USB 可同時傳輸資料並提供電力,但是運作距離最長只有 5 公尺,電力也不到 2.5 W。PoE 可支援的電力更高且距離更遠,因此能提供更出色的彈性,既方便又節省成本,適用於採用乙太網路匯流排的遠端資料擷取應用。


802.11ac

如要將運算裝置連接至區域網路或網際網路,Wi-Fi 可說是最普遍的方法之一。有了 Wi-Fi 架構的資料擷取系統,工程師即可運用現有的無線基礎架構,不需要接線作業,還可以節省成本。但如果高效能資料擷取應用需要持續串流大量資料的話,搭載 Wi-Fi 可能就沒有那麼方便,相較於其他匯流排介面,Wi-Fi 的資料傳輸率慢很多,且必須取決於無線訊號的品質。


802.11ac 這項即將推出的 Wi-Fi 標準可減少某些傳輸率限制,並且超越 Gigabit 的傳輸速度。此標準和 802.11N 一樣採用 5 GHz 頻譜,但卻搭載 80 MHz 而非 40 MHz 的通道,而且配備 8 個而非 4 個空間串流。理想的最高速度為 1.3 Gbit/s,大幅超越 802.11N 的 450 Mbit/s 最高速度。除了速度較快之外,802.11ac 也比較省電。由於傳輸效能與 802.11N 相同卻可提升效率,因此每位元所消耗的能源也變少了。初步測試的結果證明,電池壽命的經濟效益提高了 5 倍之多。802.11ac 仍處於開發階段,首批搭載此技術的電腦產品預計會在 2013 年上市。


Wi-Fi Direct

如果遠端資料擷取應用會用到好幾個監控點,只要 Wi-Fi 資料擷取系統能採用現有的基礎架構,就可以提供極大的好處。但如果只是會用到點對點連線的簡易應用項目,Wi-Fi 就會需要某種程度的網路設定,進而提高複雜度。全新的 Wi-Fi Direct 技術旨在簡化連線作業。


Wi-Fi Direct 標準可連接 Wi-Fi 裝置,不需要無線路由器或存取點。只要把軟體存取點嵌入裝置即可運作。以前的 Wi-Fi 裝置會需要使用隨建即連 (ad-hoc) 的連線方式。Wi-Fi Direct 顛覆了這個概念,變得更簡單、更快速、也更安全。藍牙的傳輸率最高只有 3 Mbit/s 且運作距離大約是 30 英尺;相較之下,Wi-Fi Direct 的資料傳輸率高達 250 Mbit/s,運作距離則是 200 英尺之多。和藍牙很像的一點是,Wi-Fi Direct 裝置可以自動偵測到其他的 Wi-Fi Direct 裝置。目前有些裝置已搭載 Wi-Fi,預計在 2013 年會有更多的電腦產品採用此技術。


Bluetooth Smart

藍牙是一種短距離、低功率的無線技術,可用來建立裝置與電腦或行動裝置之間的無線點對點連線。不同於 Wi-Fi 可高速存取區域網路,藍牙的主要目的在於用無線連線功能來取代接線,同時保有目前的基礎架構。


最新的藍牙版本可為資料擷取應用帶來許多契機。Bluetooth Smart 隸屬於 Bluetooth 4.0 這項最新的藍牙規格。而且還能盡量減少能源消耗,所以耗電量只有傳統藍牙裝置的一部分而已。在某些情況下,Bluetooth Smart 裝置如採用相同的電池,使用壽命或許能超過一年。


雖然 Bluetooth Smart 沒有 Wi-Fi 連線所能提供的速度與距離優勢,但是耗電量非常低,極具成本效益。因此非常適合多種小體積、獨立機型的全新資料擷取應用。有些個人的健身與健康管理應用早已採用此技術。類似的小工具可以監控使用者每天的運動狀況,並且與行動裝置保持同步。雖然 Bluetooth Smart 才剛起步,但或許可以用於體型更小、成本更低、耗電量更少且連接至行動裝置的資料擷取系統。


LTE

過去幾年來,手機網路持續演化,不僅能用於行動電話,還可以提供高速的資料連線功能。工程師使用手機技術來建立資料擷取系統網路,其範圍超越了區域網路,並且延伸至全世界的廣域網路。不過就高速串流應用而言,因為成本考量和資料傳輸率過慢,幾乎不太會採用手機技術。


LTE 是第四代手機技術,可突破這些限制。目前的 3G 技術可提供大約 200 kbit/s ~ 500 kbit/s 的峰值資料傳輸率。LTE 採用全新的調變與數位訊號處理技巧,可達到 300 Mbit/s 左右的資料傳輸率。目前有許多手機供應商已推出 LTE 服務,服務範圍也持續擴大。工程師可以結合 LTE 熱點與 Wi-Fi 或乙太網路資料擷取裝置,進一步針對資料擷取系統善用 LTE 技術的優勢。隨著手機技術的成本降低,使用率持續增加,此技術也可直接整合至資料擷取裝置。


結論

就以往的經驗來說,只要新的電腦與匯流排技術一上市,資料擷取廠商就會把新技術導入自家產品,並且擴充資料擷取系統的功能。雖然目前資料擷取產品並未搭載上述的匯流排技術,但工程師與科學家仍然可以一窺究竟,以期掌握未來的量測應用趨勢。


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