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摩爾定律對資料記錄的影響
 

【作者: NI美商國家儀器】   2013年06月19日 星期三

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一直以來工程師與科學家都在監控與記錄物理/電子世界。Samuel Morse 在 19 世紀中發明了第一部資料記錄系統:電報機。此系統可以自動記錄摩斯密碼的點與劃,透過電磁針記錄在紙條上。20 世紀初期,出現了第一個用於環境監控的記錄儀 (chart recorder)。


早期的記錄儀屬於類比機器,會透過鋼筆將電子訊號的變化記錄在紙上。接著這項太空專案針對類比與數位資料打造出高速的數位資料擷取系統。



圖一 : 過去 40 幾年來 Intel 不斷推出創新產品,如最新的 Xeon 處理器搭載了 26 億個電晶體,持續促成摩爾定律的發展。
圖一 : 過去 40 幾年來 Intel 不斷推出創新產品,如最新的 Xeon 處理器搭載了 26 億個電晶體,持續促成摩爾定律的發展。

隨著數位世界越來越複雜,無論是目前還是未來的物理/電子現象記錄系統,都必須解決全新的資料擷取與記錄難題。現在的記錄儀與資料記錄系統大多不需要紙張,主要都是數位系統。這類機器搭載了數位處理器和記憶體,而且還有通訊連接功能,可滿足外部需求。過去十年來,數位儲存容量激增,對應成本卻急遽下降。


隨著摩爾定律不斷演變,帶來更強大、更便宜、更小型、更節省能源的處理器,未來的資料擷取與記錄系統也會運用此技術,提高智慧效能之餘還增加更多功能。


  • 「我們可以預見 DAQ 系統的市場需求,這類系統不但能透過網路、伺服器或電腦來擷取資料,還可提供決策流程所需的重要資訊。」— Frost & Sullivan



新一代資料記錄系統

過去 20 幾年以來,資料記錄系統的智慧型效能已經分散開來,處理元件持續移向感測器與訊號。這樣一來,相較於以前只能單純收集資料,使用者可以在決策流程中進一步運用遠端 DAQ 系統與記錄器。


目前有許多高效能記錄系統都整合了來自 Intel、ARM、Xilinx 等廠商的最新矽晶片與 IP。大多數的系統架構都只有處理器而已,但是有些系統採用的異質運算架構卻結合了處理器與可程式化邏輯。舉例來說,目前市面上的高效能資料記錄系統如下:


  • ● Stand-Alone NI CompactDAQ 系統


  • ● NI CompactRIO


  • ● HBM QuantumX CX22W


  • ● Yokogawa WE7000


  • ● Graphtec GL900



只要資料記錄系統具備更多的處理與智慧型功能,所執行的軟體將是廠商一較高下的關鍵。傳統的資料記錄軟體提供現成工具,工程師可用來設定系統,快速開始量測作業,比如說 HBM 的 Catman 或 Yokogawa 的 DAQLOGGER。現成工具的缺點在於彈性欠佳,只能使用現有的功能。


另一方面,工程師與科學家可以運用 Microsoft Visual Studio 等文字程式設計工具或 NI LabVIEW 系統設計軟體等圖形化程式設計工具,進一步設定系統內的處理器。程式設計工具可針對這些資料記錄系統提供最豐富的客制化功能,包含各種訊號處理與智慧型嵌入功能,然而相較於現成工具,需要更多時間學習才能上手。



圖二 : 說明了高效能資料記錄系統的未來功能,並且以摩爾定律與更先進的處理技術為根據。
圖二 : 說明了高效能資料記錄系統的未來功能,並且以摩爾定律與更先進的處理技術為根據。

挑戰記錄系統極限的應用項目

對許多應用與產業來說,其資料記錄都需要更出色的智慧型功能。汽車、運輸、水電等產業早就開始採用高效能的資料記錄系統。


汽車與運輸

現代的汽車設計搭載了數千種感測器與處理器,而且程式碼高達好幾百萬行。汽車的智慧型性能越高,必須測試與監控的物理與電子參數就越多。此外,測試工程師需要更耐用、智慧型效能更出色的記錄系統,才能執行汽車測試。舉例來說,美國 Integrated Test & Measurement(ITM)公司的工程師需要高效能/高彈性的車用測試解決方案,以便判斷公路用貨卡車廢氣排放系統運作時的振動等級。


工程師透過 NI LabVIEW 系統設計軟體來設定 Stand-Alone NI CompactDAQ 系統,打造出高速振動記錄解決方案,提供筆記型電腦或行動裝置的無線介面。Stand-Alone NI CompactDAQ 系統搭載高效能的 1.33 GHz 雙核心 Core i7 Intel 處理器,提供許多進階功能,例如進階訊號處理、Wi-Fi 連線功能,28 個同步取樣的加速規輸入通道都能以超過 6MB/s 的速度將資料高速串流至非揮發性記憶體。


此外,有了最新的 Data Dashboard for LabVIEW 版本,ITM 的工程師就可以打造客制化的使用者介面,直接透過 iPad 操作並控制振動記錄系統。


電網

水電產業也衝擊了傳統的資料記錄系統。電網日新月異,水電產業也投入大量資源提升電網的智慧型效能。其中一個方法就是整合更多的量測系統與裝置,比如說電力品質分析器。標準的電力品質分析器會擷取並分析電力網路的三種電壓,根據國際標準來計算電壓品質。


所謂的電壓品質涉及了頻率、電壓準位變化、電壓閃爍、三相系統不均、諧波範圍、整體諧波失真、訊號電壓準位。此應用需要大量的分析與高速量測作業,所以傳統的記錄系統無法提供必要的馬力。印度 ELCOM 公司的工程師使用 LabVIEW 與搭載嵌入式處理器和 FPGA 的 NI CompactRIO 嵌入式擷取系統,打造出高彈性/高效能的電力品質分析器。系統內的處理器可用於高階的浮點處理、高速磁碟串流、網路連線等事項。


CompactRIO 的 FPGA 則有助於在系統內加入額外的處理元件,還可執行客制化的 I/O 時序與同步化功能,以及應用所需的高速數位處理效能。


未來的記錄系統必須加強智慧型效能

隨著我們身處的世界越變越複雜,針對未來的機器、基礎建設、電網、汽車等,物理/電子資料監控與記錄系統都必須與時俱進。矽晶片與 IP 廠商改良了處理元件的效能、功能與成本,努力跟上此趨勢。現在資料擷取公司也必須比照辦理,提供更高效能的記錄系統,並且加強彈性、直覺性、智慧型功能,才能擷取各式各樣的資料。


有了更出色的智慧型資料記錄系統,即可透過各種來源取得更實用的資料,同時改善系統的效能、品質與維護需求。


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