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改善资料撷取效能的全新汇流排技术
新兴的电脑汇流排技术可改良资料撷取系统,并且克服未来的量测应用挑战

【作者: NI美商國家儀器】2013年06月17日 星期一

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早期的电脑架构资料撷取系统包含了桌上型电脑与内接的插入式 I/O 介面卡。虽然目前如:配备类比转数位转换器(ADC) 的I/O 装置、已安装软体的电脑,以及衔接两者的汇流排介面的基础架构维持不变,但这几年以来每一元件都经过改良。全新的电脑与汇流排技术可让工程师满足全新应用需求。


举例来说:笔记型电脑与 USB 的兴起提升了电脑架构资料撷取系统的便携性,方便使用者存取资料,进而发挥电脑架构量测的优势。 PCI Express 与 PXI Express 技术还可以大幅增加多通道数与高取样率应用的运作效能。全新的无线技术可节省昂贵的接线成本,并且放大资料撷取的地域范围。


随着现代汽车、机器与基础建设越变越复杂,工程师与科学家也必须在更多地点量测更多状况与条件。应用项目不只需要更高的资料传输率,也必须减少耗电量、缩小体积,并且拓展到更多的新地点。各种全新汇流排技术兴起之后,不仅改良了资料撷取系统,还有助于因应未来的量测应用需求。


PCI Express 4.0

Intel 在 2004 年推出 PCI Express 这种桌上型电脑最常用的汇流排介面。其效能远超过上一代的 PCI 产品。 PCI 的理想峰值频宽为132 MB/s,并且由多个装置共用;相较之下,PCI Express 可提供专属频宽给每个装置,最多16 个资料通道,而且每个通道最高可提供250 MB/s。如果单一装置全数安装共 16 个通道,每个装置的频宽可高达 4 GB/s。搭载 PCI Express 技术的 PXI Express 系统也可提供相同优势。


PCI-SIG 是开发此标准的组织,组织内的工程师更是精益求精。这些工程师反覆测试此标准,过去几年来推出许多修改版本,借此逐步提升效能。 PCI Express 4.0 是新一代的主要汇流排版本,可支援 16 GT/s,换算过来每通道频宽可高达 2 GB/s,结合所有 16 个通道的单一装置频宽则是 32 GB/s。如果高效能资料撷取系统需要PCI Express 或PXI Express 的资料传输率,PCI Express 4.0 则可提供8 倍之多的资料传输率,能以更高的解析度与更快的取样率来串流更多通道。目前 PCI Express 4.0 仍处于开发阶段,预计在 2014–2015 年上市。


USB 3.0

USB 可说是电脑史上最普及的汇流排介面,几乎 100% 的电脑与装置制造商都会采用 USB。这款汇流​​排可取代电脑背面的接头,简化连接装置的软体设定,包含资料撷取装置在内,所以能够轻易把外接装置连接至电脑。


USB 3.0 (SuperSpeed​​) 是最新版本,不仅大幅提升效能,还能与现有的 USB 装置顺利相容。 USB 2.0 (Hi-Speed​​) 的最大传输率为35 MB/s,相较之下 USB 3.0 采用了 4 条额外接线,搭载全双工通讯,传输率最高可达 625 MB/s。单一汇流排连接埠所能提供的最大功率增加到 900 mA,因此汇流排可供电给更多的装置,不需要外接电源。如要达到更高的资料传输率,就必须重新设计接线接头;不过 USB 3.0 仍可以与 USB 2.0 连接埠向下相容。


如果把 USB 3.0 搭配最新的资料撷取技术,或许就可以打造出简便的可携式系统,还能提供高效能与高传输率等好处。电脑供应商已开始陆续提供 USB 3.0 技术。


Thunderbolt

Thunderbolt 由 Intel 与 Apple 携手开发,是一种全新的汇流排技术,目的在于将资料、视讯、音讯、电力整合至单一连接埠,进一步把多个接线统整为单一接线。其效能是 USB 3.0 的 2 倍,每个装置的传输率最高可达 1.25 GB/s。 Thunderbolt 的效能可以如此惊人的原因在于 PCI Express 技术。每一个 Thunderbolt 连接埠都可提供最多 10 W 的电力给已连接的装置。


尽管 Thunderbolt 明显胜过 USB 3.0,但这种技术还处于起步阶段,可能需要一段时间才会像 USB 那么普及并广泛用于资料撷取系统。


Power-over-Ethernet+

Power-over-Ethernet (乙太网路供电,简称 PoE) 可透过乙太网路接线安全提供电力并传输资料。透过 2 组以上乙太网路线常见的差动对 (Differential Pair) 接线,专门设备即可用来供电。最新的 IEEE 802.3at2009 标准 (也称为 PoE+) 可提供高达 25.5 W 的电力,运作距离长达 100 公尺。


企业网路管理人员最常采用 PoE 来布署企业网路;但随着资料撷取系统搭配乙太网路汇流排的频率持续增加,也越来越受到工程师与科学家的欢迎。虽然 USB 可同时传输资料并提供电力,但是运作距离最长只有 5 公尺,电力也不到 2.5 W。 PoE 可支援的电力更高且距离更远,因此能提供更出色的弹性,既方便又节省成本,适用于采用乙太网路汇流排的远端资料撷取应用。


802.11ac

如要将运算装置连接至区域网路或网际网路,Wi-Fi 可说是最普遍的方法之一。有了 Wi-Fi 架构的资料撷取系统,工程师即可运用现有的无线基础架构,不需要接线作业,还可以节省成本。但如果高效能资料撷取应用需要持续串流大量资料的话,搭载Wi-Fi 可能就没有那么方便,相较于其他汇流排介面,Wi-Fi 的资料传输率慢很多,且必须取决于无线讯号的品质。


802.11ac 这项即将推出的 Wi-Fi 标准可减少某些传输率限制,并且超越 Gigabit 的传输速度。此标准和 802.11N 一样采用 5 GHz 频谱,但却搭载 80 MHz 而非 40 MHz 的通道,而且配备 8 个而非 4 个空间串流。理想的最高速度为 1.3 Gbit/s,大幅超越 802.11N 的 450 Mbit/s 最高速度。除了速度较快之外,802.11ac 也比较省电。由于传输效能与 802.11N 相同却可​​提升效率,因此每位元所消耗的能源也变少了。初步测试的结果证明,电池寿命的经济效益提高了 5 倍之多。802.11ac 仍处于开发阶段,首批搭载此技术的电脑产品预计会在 2013 年上市。


Wi-Fi Direct

如果远端资料撷取应用会用到好几个监控点,只要 Wi-Fi 资料撷取系统能采用现有的基础架构,就可以提供极大的好处。但如果只是会用到点对点连线的简易应用项目,Wi-Fi 就会需要某种程度的网路设定,进而提高复杂度。全新的 Wi-Fi Direct 技术旨在简化连线作业。


Wi-Fi Direct 标准可连接 Wi-Fi 装置,不需要无线路由器或存取点。只要把软体存取点嵌入装置即可运作。以前的 Wi-Fi 装置会需要使用随建即连 (ad-hoc) 的连线方式。 Wi-Fi Direct 颠覆了这个概念,变得更简单、更快速、也更安全。蓝牙的传输率最高只有 3 Mbit/s 且运作距离大约是 30 英尺;相较之下,Wi-Fi Direct 的资料传输率高达 250 Mbit/s,运作距离则是 200 英尺之多。和蓝牙很像的一点是,Wi-Fi Direct 装置可以自动侦测到其他的 Wi-Fi Direct 装置。目前有些装置已搭载 Wi-Fi,预计在 2013 年会有更多的电脑产品采用此技术。


Bluetooth Smart

蓝牙是一种短距离、低功率的无线技术,可用来建立装置与电脑或行动装置之间的无线点对点连线。不同于 Wi-Fi 可高速存取区域网路,蓝牙的主要目的在于用无线连线功能来取代接线,同时保有目前的基础架构。


最新的蓝牙版本可为资料撷取应用带来许多契机。 Bluetooth Smart 隶属于 Bluetooth 4.0 这项最新的蓝牙规格。而且还能尽量减少能源消耗,所以耗电量只有传统蓝牙装置的一部分而已。在某些情况下,Bluetooth Smart 装置如采用相同的电池,使用寿命或许能超过一年。


虽然 Bluetooth Smart 没有 Wi-Fi 连线所能提供的速度与距离优势,但是耗电量非常低,极具成本效益。因此非常适合多种小体积、独立机型的全新资料撷取应用。有些个人的健身与健康管理应用早已采用此技术。类似的小工具可以监控使用者每天的运动状况,并且与行动装置保持同步。虽然 Bluetooth Smart 才刚起步,但或许可以用于体型更小、成本更低、耗电量更少且连接至行动装置的资料撷取系统。


LTE

过去几年来,手机网路持续演化,不仅能用于行动电话,还可以提供高速的资料连线功能。工程师使用手机技术来建立资料撷取系统网路,其范围超越了区域网路,并且延伸至全世界的广域网路。不过就高速串流应用而言,因为成本考量和资料传输率过慢,几乎不太会采用手机技术。


LTE 是第四代手机技术,可突破这些限制。目前的 3G 技术可提供大约 200 kbit/s ~ 500 kbit/s 的峰值资料传输率。 LTE 采用全新的调变与数位讯号处理技巧,可达到 300 Mbit/s 左右的资料传输率。目前有许多手机供应商已推出 LTE 服务,服务范围也持续扩大。工程师可以结合 LTE 热点与 Wi-Fi 或乙太网路资料撷取装置,进一步针对资料撷取系统善用 LTE 技术的优势。随着手机技术的成本降低,使用率持续增加,此技术也可直接整合至资料撷取装置。


结论

就以往的经验来说,只要新的电脑与汇流排技术一上市,资料撷取厂商就会把新技术导入自家产品,并且扩充资料撷取系统的功能。虽然目前资料撷取产品并未搭载上述的汇流排技术,但工程师与科学家仍然可以一窥究竟,以期掌握未来的量测应用趋势。


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