第一篇：數字圖書館中大數據存儲的應用研究論文

【摘要】大數據時代,數據的存儲與快速存取成為圖書館管理工作中的重要問題。現代圖書館數字化的管理模式帶來更大的資料數據容量，同時也為數字圖書館的存儲功能提出了更高的要求。傳統的數據存儲和數據管理方式早已無法達到大數據存儲的要求標準。數字圖書館中大數據存儲問題還需要進一步的深入研究，并尋求順應科技發展的全新的模式來應對大數據的存儲難題。

【關鍵詞】數字圖書館；大數據；存儲；應用

圖書館、閱覽室的數據存儲系統與其他行業的存儲系統有較大不同，主要表現在:①數據量龐大。一座大型圖書館每年的數據增量可達10TB以上;②存儲周期長。圖書館數據需要較長的存儲時間，甚至可達50年以上;③數據類型多樣。現代圖書具有影像、圖像、文字、聲音等數據，均需要存儲;④高度的可靠性和安全性要求。作為一所信息化程度較高的圖書館，為了構建一個滿足業務需要的高效數據存儲系統，可以利用數據壓縮、重復數據刪除、自動精簡配置、自動分層存儲等現代數據存儲技術，對大數據進行高效的存儲和管理。

一、數字圖書館大數據存儲容量不足的問題

現代圖書館是一個十分復雜的機構，完備的圖書館除了具有對借閱人員信息、圖書還借與出人信息、圖書設備信息等硬數據進行管理外，數據量最大最復雜的當屬對圖書資料本身的軟數據管理以及現代電子圖書資料的儲存與管理，特別是大型圖書館或高校圖書館，門類齊全、借閱量大、內容及設備多樣，更使得它所產生的數據結構復雜且數據增量大。

圖書館的數據量隨時間線性增長，隨著各種類型的數字化圖書及設備越來越多，信息化程度的不斷加強，對圖書及讀者管理規范程度的不斷提高，以及讀者對資源要求的不斷加深，致使數據容量加速增長。

當前大型圖書館每年的數據增量大約為20~30TB,如此浩大的數據量，對于一個擁有100TB存儲容量的圖書館一也只能滿足3一5年的數據存儲需要，因此需要采取有效的應對措施予以解決。

日前，許多高校圖書館的存儲設備容量利用率不到50%，大有潛力可挖。在圖書館實際管理工作中，在缺乏技術的情況下，經常采取整理碎片的技術來提高存儲空間利用率和數據查詢效率，這對于一般性的小容量操作是可行的，但對于大型數據系統其耗費的時間是難以估計的。況且，碎片的整理并不能有效消除分配卷中未使用的空間，達不到精簡配置的目的。

二、數字圖書館大數據存儲容量不足的應對

措施日前許多圖書館采取的辦法是由被購買了電子圖書的商家作數據備份，這顯然不是最有效的數據存儲機制。為了大幅度提高數據存儲效率，最有效的辦法是采用數據壓縮技術和重復數據刪除技術。

1、利用壓縮技術提高空間利用率

對于書籍等圖書資料文件，其文件內和文件間存在大量的相似性關系，Delta壓縮技術則可以對文件內和文件間的數據進行比較，刪除文件內和文件間的冗余數據，達到數據壓縮的日的，相似程度越高，壓縮比越小。

2、利用消重技術提高空間利用率

圖書館數據在存儲過程中往往有大量的備份數據，數據經過多次備份后，產生較多的數據重復，重復數據刪除技術在備份過程中能夠較好地消除重復數據，進而節約空間。對于重復數據備份，可以分為時間數據消重和空間數據消重。對于電子書籍等產生的數據一般屬于自然數據，其主要特點是，數據的變化率較低、完備的數據備份、數據長期保存、數據內容可以感知等，因此，適合采用時間數據消重。因此，就本校圖書館的數據整理，大約每三個月進行一次。

圖書館數據量龐大，僅僅一所5000人規模學校的中型圖書館，其電子圖書數據量就可達到15TB以上。因此，不能簡單采用與中小備份類似的解決方案，由于存在大量的圖形文件及影像文件等，其海量數據備份是一個非常耗時的過程，在熱備份情況下，可能需要花費近一個月時間。最佳實踐做法是，采用備份設施來拷貝數據并同時保證應用程序仍然可以讓客戶端使用。重要數據的備份可以使用有冗余級別配置的主機或硬盤RAID。兩個獨立硬件控制的RAID陣列的軟件鏡像可以用來備份其關鍵數據。這種技術可以保證當某個磁盤或陣列發生故障時整個系統仍然可以使用，任何網絡組件的故障，如網卡、視頻設備、IDE控制器、電源等可以容易地替換而不影響運行。最經濟且非常有效的數據備份方案可以采取冗余技術RAID4,即若干個數據盤帶一個冗余盤，在這些盤中的相應塊內，存儲的相應位的1的個數必須是偶數個。當某一個數據盤發生故障而更換了新盤后，只要按照偶數個1的原則就可以將損壞了的數據恢復到新盤中。

在實際操作中，可以有多種備份方案，通常采用停機備份:正常關閉待操作數據，進行數據的冷備份。備份所有數據文件、控制文件、日志文件和參數文件，把冷備份拷貝到新存儲設備上，然后新建一個同名實例，最后再把備份數據文件重新打開即可。

3、提高存儲空間的利用率

對于某項應用，傳統空間分配方案采用完全供給，以確保該應用擁有足夠的增長空間，這勢必造成大量的存儲空間閑置，在空間浪費的同時也造成了能源損失。采用自動精簡配置是一種較新的存儲空間管理技術。利用自動精簡配置技術，能夠幫助用戶在不降低性能的情況下，大幅度提高存儲空間利用效率，能使用戶實現接近100%的存儲空間利用率，因為數據需要多少空間系統則按需要進行分配，基本不產生多余的空間。自動精簡配置技術的一個明顯的優勢在于可自動擴展分配卷，無須手動擴展，而且當需求變化時，無需更改存儲容量設置;通過虛擬化技術集成存儲，減少超量配置，降低總功耗。這也是解決機房耗能問題的很有效的方法。

三、總結

總的來說，對于數字圖書館大數據的存儲和管理都十分關鍵，有效地存儲和管理大數據是現代圖書館信息化管理的必要基礎，良好的數據管理技術能夠為圖書館管理工作的順利開展提供保障。所以，加強大數據存儲工作的管理，是未來數字圖書館發展的重要保證。

參考文獻

[1]彭磊.建立SAN(存儲局域網)——高校圖書館數據存

第二篇：《數字圖書館論壇》論文授權書

《數字圖書館論壇》論文授權書

稿件編號：

文題：作者順序：

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第三篇：數字圖書館

高等職業院校數字圖書館建設

張林龍

[ 摘 要] 本文闡述了數字圖書館的概念和特征, 分析了高等職業院校圖書館的現狀和出路, 數字圖書館的最終目標, 高等職業院校數字圖書館建設項目完成后應達到的效果, 數字圖書館的建設途徑, 軟件的選擇。

[ 關鍵詞] 院校圖書館;學校圖書館;電子圖書館;數字圖書館;虛擬圖書館;圖書館建設;圖書館

一、引言

當今時代已進入信息時代, 因特網的觸角已延伸到世界各個角落, 數字化文獻以其貯存空間小、能快速地進行遠程傳遞、檢索十分快捷等優點, 發展迅猛。隨著數字化文獻大量進入圖書館, 圖書館向數字化發展必然成為當代圖書館發展的方向。為滿足高等職業院校師生能在信息時代快速、準確地獲取信息, 推動高等職業院校的教學、科研向更高層次發展, 同時也使高等職業院校圖書館成為整個數字化社會的有效組成部分, 高等職業院校圖書館必須進行數字圖書館建設。我們應認清數字化圖書館建設的緊迫性。之所以把數字圖書館建設作為我國高等職業院校圖書館工作的緊迫任務, 是因為高校數字圖書館建設適應了知識經濟時代下高校圖書館發展的客觀需求, 具體來說: 它是我國高校圖書館迎接知識經濟下信息技術革命挑戰的需要;它是我國高校圖書館縮小與國外數字圖書館發展水平差距的需要;它是建設 中國數字圖書館工程!的需要。

二、數字圖書館的概念和特征

(一)數字圖書館的概念

數字化革命和因特網的大發展, 帶來了經濟、貿易、信息傳播的全球化, 深刻影響著社會的各個層面。巨量信息涌入因特網, 使其信息極為豐富, 也使信息查詢、檢索十分困難, 尤其是對于上網漫游的新手更是如此。這主要是由于因特網上的信息資源很大程度上處于混亂的無政府狀態, 大大影響了信息利用的效率。這一重大的弊端, 清楚地表明了在因特網這種全球信息服務網絡中, 急需一個管理信息資源的新模式, 所有上網的資源必須按照這個模式統一管理。這就是提出數字圖書館的主要背景。

數字圖書館建設是以統一的標準和規范為基礎, 以數字化的各種信息為底層, 以分布式海量資源庫群為支撐, 以智能檢索技術為手段, 以電子商務為管理方式, 以寬帶高速網絡為傳輸通道, 將豐富多彩的多媒體信息傳遞到千家萬戶。它涉及數字信息資源的生產、加工、存儲、檢索、傳遞、保護、利用、歸檔、剔除等全過程。它不是個別圖書館所能完成的任務, 需要全國范圍的圖書館、博物館、美術館、檔案館和情報信息提供單位等攜手共同完成。

目前, 數字圖書館正處于發展之中, 國內外對數字圖書館還沒有一個明確、完整的定義。但一般認為, 數字圖書館(Digital library)是采用現代高新技術所支持的數字信息資源系統, 是下一代因特網網上信息資源的管理模式, 它將從根本上改變目前因特網上信息分散不便使用的現狀。

數字圖書館的概念是組織數字化信息及其技術進入圖書館并提供有效服務。數字圖書館的前期,也稱為電子圖書館(Electronic library), 它包含有一些電子模擬信息和資料。90 年代以來, 隨著計算機、通訊和網絡技術、高密度存儲技術以及多媒體技術的發展, 特別是1995 年初, IBM 公司推出全球數字圖書館計劃, 美國數字圖書館學會成立, 許多學者開始普遍使用數字圖書館一詞。從另一層意義上講, 數字圖書館又稱為虛擬的圖書館(Virtual library), 即在本地圖書館以外, 還有很多圖書館可被聯機地訪問,用戶訪問它

們就像訪問本地圖書館一樣。它也稱為網上圖書館, 可供網上查詢和互訪。許多電子信息中心、電子雜志中心等也將成為數字圖書館的重要成員。

(二)數字圖書館應具有以下特征

1.數字圖書館是一個由網絡連接的 互連空間!或 信息空間!而不是傳統圖書館所定義的一個物理“場所”。

2.數字圖書館的文獻信息資源是以多種媒體、多種語言為特征的。為了適應不同國家、不同地區、不同文化背景和不同語言的讀者的需要, 數字圖書館兼有多種語言轉換和編譯的能力, 以幫助讀者從任何國家、地區獲得任何語言形式的文獻資源。

3.數字圖書館具有智能化、基于全文的檢索技術。讀者可以用自然語言, 通過人機交互利用人工智能中學習和自適應算法以及模糊集合理論中的模糊推理, 在異構的分布式數據庫中查詢和檢索信息, 獲得一致性的(連貫的)文獻資源。

4.數字圖書館具備強大的信息和知識收集、傳播和發布的功能。這使得圖書館從傳統以圖書借閱為主的單功能服務向以信息和知識檢索、收集、傳播發布為主的多功能服務轉變;從“被動式”服務轉向“主動式”服務。

三、高等職業院校圖書館的現狀和出路

(一)缺乏高素質專業技術人員;應引進復合型人才，加強針對性培訓長期吃“皇糧”而自身“造血”功能不強的圖書館陷入了經費短缺的困境，因此，人才外流、服務缺乏活力的問題也相伴而生。多年來, 圖書館需要的人進不來, 無用的人出不去, 一些圖書館成了老弱病殘或犯錯誤人員的收容所, 因此就流行著這樣一句順口溜“圖書館是個筐, 什么人都能裝”。某圖書館分來的50名圖書館專業大學生，不到半年只剩了10 人。在圖書館領域, 通向信息社會的障礙之一就是缺少訓練有素的信息專業人員。

由于多種因素的共同作用, 我國大多數高等職業院校圖書館在進行自動化建設時都面臨現有管理人員或技術人員某方面專業知識生疏問題。除了通過自學、培訓等途徑解決此類問題之外, 建議文化部和有條件的省文化廳組建專家顧問組, 向各館提供所需的有償咨詢服務。此項工作, 可納入協作網建設之中。

根據21 世紀信息化社會的發展和上海地區經濟建設的需要, 建立適應國際經濟一體化和世界科技高速發展需要的圖情專業人才培訓基地, 利用現代化的教育培訓手段, 建立開放的交互式電化教育網站, 以實行多渠道、多層次、多類型的方法, 培養圖情專業人才, 提高圖書情報隊伍素質。文獻資源共建共享協作網依托上海圖書館上海科技情報研究所的教育培訓中心, 與協作網內的高校系統合作, 由其優質師資授課, 全面開展職工的繼續教育培訓工作。在我國, 圖書館的信息服務工作起步較晚, 圖書館業務人員整體水平不高, 缺少經過深加工的信息產品, 信息服務整體水平很低。一個現代化圖書館非常重要的標志是其服務能力, 圖書館有各種層次的服務: 書刊保障級和書目級服務;讀者輔導級服務;專題文獻檢索級服務;專題文獻咨詢和分析級服務;學科發展分析級服務。這里前二項是必須保障的基礎性服務, 后三項是代表服務水平的提高性服務。高校圖書館應該在確保基礎性服務的前提下發展提高性服務。隨著現代信息技術的發展, 圖書館必須要有一批掌握現代信息技術、同時掌握利用現代信息資源和書本式參考工具, 并且有良好的與學校發展方向相適應的專業背景的高素質的工作人員來從事提高性的服務工作。要從事提高性服務工作, 僅僅具有文獻的專業背景是不夠的, 還必須加大力度補充相關的專業知識, 今后圖書館的人員配置應該考慮是綜合化, 由文獻情報專業背景、現代信息技術專業和各相關學科專業背景的復合型人才組成, 形成各部分人員的知識融合, 加強在職的針對性培訓, 造就一批能與現代化圖書館建設相適應的圖書館館員, 從而提高現代化高校圖書館的信息服務能力。

(二)經費短缺、設施落后;加大技術與資金的投入, 開源節流, 開展有償服務, 選用因特網上的免費資源

當前, 由于書價的上漲以及投資的不足, 使圖書館購書經費日漸拮據, 不得不忍痛舍棄許多高價值的書刊, 動搖了圖書館的物質基礎。文化部圖書司公布的統計數據表明: 全國平均每館年購書經費為4萬元, 占圖書館總數85%的縣級館只有8000 元, 全國有1200 個圖書館年購書經費在5000 元以下, 有341所圖書館一年也進不了一本圖書。遼寧省縣級的10 所圖書館購書費分攤到全縣人均不足一分錢。

高等職業院校圖書館同樣也面臨經費短缺問題, 應加大技術與資金的投入。從圖書館年經費的額度看, 圖書館坐等國家撥款的大幅度增加是不現實的。不過, 可通過多種渠道獲得資金或爭取無償贈書, 或得到企業資助的做法, 還可以開展多種特殊專項信息服務, 如商業信息服務、環境信息服務和科學技術服務等。不少高等職業院校圖書館目前還完全是手工操作, 既無硬件又無軟件, 十分困難。從國內情況看, 由于購書經費緊缺, 選用因特網上的免費資源來補充我們的館藏顯得尤為重要。

四、數字圖書館的最終目標

我們認為高等職業院校圖書館之所以要進行自動化建設主要是為了滿足兩個群體的需要: 第一, 滿足全校師生(特別是教學科研人員)更有效利用圖書館所藏文獻資源, 并通過電子通道更加方便、及時、全面、準確地檢索、獲取電子信息的需要;第二, 滿足館內工作人員更加方便、有效地進行業務管理、電子信息資源建設和業務交流的需要。全國性的數字圖書館必須達到的最終目標, 以全國圖書館相互合作為基礎的機構, 達到兩個方面的資源共享: A、圖書館業務工作共享: 包括聯機編目、館藏資源、數據庫建設;B、面向最終用戶, 實現信息獲取一體化服務: 共分為三個層次, 第一層次對用戶提出的問題進行相關文獻的檢索, 可提供二次文獻數據庫;第二層次是查找文獻所在地, 提供本地區、本省、甚至全國館藏情況;第三層次是提供一次文獻, 提供的方式可以是合作機構隨時更新的聯機全文庫, 或者電子期刊等,也可以是通過合作機構的館際互借, 最終保證用戶能取到所需的文獻。

五、高等職業院校數字圖書館建設項目完成后達到如下效果

(一)高等職業院校師生能方便地查詢和獲取本館館藏的數字化文獻(包括文字的、圖像的和聲音的), 并能利用所有存在于因特網上的數字化文獻, 比如能查詢美國國會圖書館的目錄;能利用北京大學圖書館的光盤文獻(目前教育部正在實施的CALIS 計劃, 計劃在全國高校范圍內建立大量文獻數據庫)。這將大大提高高等職業院校師生獲取信息的條件和能力。

(二)使用了新一代圖書館軟件以后, 實現多校區聯網服務(指有多校區的學校), 并能進一步提高高等職業院校圖書館自動化管理水平, 能和其他有關圖書館進行聯機編目、館際互相傳遞文獻、電子咨詢業務等。

(三)能逐漸把高等職業院校圖書館有特色的館藏文獻轉換成數字化文獻, 上網供讀者利用。

六、數字圖書館的建設途徑

比起發達國家, 我國數字圖書館建設起步較晚, 從規模和水平上存在很大差距。在中國建設數字圖書館應根據中國國情, 具有中國的特色。根據對數字圖書館三大要素的處理側重不同, 可以將數字圖書館建設途徑分為以下三類:A.數字化支持技術優先途徑: 先進行網絡建設和計算機配置, 在技術準備充足之后再利用各種數字資源開展數字化服務。這種途徑可以形象地稱為 先上網, 再建設!。我們認為技術經費充足的大型圖書館可以選此途徑;B.數字化資源優先途徑: 數字化支持技術需要較大投資, 如無大額資金投入, 則可先用少量資金逐步購置數字化資源, 待資源形成一定規模后必然要求采用支持技術提供相應服務。這一途徑可以形象地稱為 先找米, 再做飯!。我們認為適合中型圖書館采用, 也適合高等職業院校圖書館采用;C.數字化服務優先途徑: 對既無資金進行數字化支持技術建設、又無資

金購置數字化資源的小型圖書館, 可以考慮利用鄰近大中型圖書館的技術和資源條件, 先開展“代理”性質的數字化服務, 待需求形成市場規模后再按市場機制進行建設。這一途徑可以形象地稱為“先上馬, 再備鞍!”。我們認為適合小型圖書館采用。

當然, 以上途徑的區分只是相對而言, 在一個實際的具體圖書館內, 完全可以根據實際情況采用各種途徑同時推進。尤其是對于中小型圖書館, 各種經費都較緊張, 就應當靈活地采用有關途徑。有的途徑是理論上可行而實際上難行, 真正實用時就應該進行適當變通。

七、軟件的選擇

隨著傳統圖書館形態逐漸向數字化圖書館形態發展, 原來的圖書館自動化集成管理系統就面臨著如何與圖書館網絡化、數字化銜接的問題, 因此數字化圖書館需要新一代的圖書館自動化集成管理系統。這種新一代的系統要達到這樣一些要求:

(1)在網絡環境下, 系統的集成化內容, 不僅僅是以往圖書館應用功能的集成, 而應發展為根據系統承擔的不同作業任務的多服務性集成。一般情況下, 包括以下幾種服務集成: Web 服務;數據庫檢索引擎;Z39.50 服務;專用數據庫傳送及轉換服務;不同字符集代碼轉換服務;可處理并發多進程應用程序。總之, 需要高度集成化, 要文檔集成、數據集成、服務功能集成, 并形成模塊化結構, 以便于系統維護。

(2)一個集成化系統面對當前的網絡環境及資源服務環境, 一般要求它有多個開放性的對外接口,如: 面對用戶查詢的瀏覽器接口;面對系統間查詢的Z39.50 接口;面對商業化光盤載體信息庫的查詢及數據傳遞轉換接口;面對網絡可聯機獲取的信息資源的訪問與權限控制器接口等。

(3)在系統功能性要求方面, 除強調系統在本地局域網環境下, 涵蓋圖書館基本業務流程及一些輔助性功能, 諸如統計、自我維護、日志、數據恢復外, 還要為用戶提供更多的自我需求設計的功能, 主要包括: 界面設計、圖書館自我管理方案設計、檢索策略設計等。而更重要的是: 采用因特網網絡環境下的獲取資源、共享資源的各種先進新興技術、標準和協議, 實現在因特網上的館際公共檢索、聯機訂購編目、館際互借、網上信息資源咨詢和檢索服務、電子書刊文獻采購和信息發布、聯機編目上、下載及計費管理等;能跨越地理位置的限制, 與因特網接軌, 能與多種LAN 和WAN 兼容, 允許因特網用戶訪問本館的OPAC, 提供存取其他圖書館信息的入口, 用戶通過局域網或因特網訪問遠端數據庫信息, 并可將查詢結果重新格式化, 下載到本地硬盤或軟盤上;多語種選擇;多媒體技術的應用, 如建立MARC 記錄和多媒體信息的關聯, 通過聯機目錄查詢得到多媒體信息等等。

(4)要有可靠的安全性, 使用網絡安全防火墻技術和加密技術, 滿足網絡通訊安全的需要。顯而易見, 基于微機局域網純文字類型的文獻信息系統和圖書館自動化集成系統, 在數字圖書館時代已經不能適應了, 需要使用Internet/ Intranet 網絡技術、面向對象技術和多媒體技術, 以及由面向對象技術、網絡技術、高速寬帶數字通訊技術有機結合而形成的分布式對象技術來對他們進行改造, 例如, 用瀏覽器/Web服務器結構(B/ S)來取代客戶機/ 服務器(C/ S)結構。

目前, 我國自制的系統軟件從總體來說, 離數字圖書館的要求還有很大差距, 但到了90 年代末期,若干個新一代圖書館自動化集成管理系統的問世, 顯示了我國完全有研制符合數字圖書館要求的自動化集成管理系統的能力。1998 年7 月, 在教育部辦學條件司和有關單位聯合舉辦的“圖書館計算機管理系統暨展覽會”上, 北京大學研制的“NLIS”系統, 北京郵電大學研制的“MELINETS”系統, 南京大學主持開發的“匯文”圖書館管理系統, 深圳圖書館研制的 “ILAS-Ⅱ”系統, 還有臺灣Artis 公司推出的“亞堤斯圖書館管理系統”、“康威”系統和傳技公司推出的“TOTALS-Ⅱ”系統等都使用了國際上90 年代中期的最新技術, 采用了客戶機/ 服務器(C/ S)模式、Web 技術、Z39.50 通訊協議等, 使這些系統更適合于網絡環境下圖書館管理。

考慮系統配置要根據館藏多少、存儲內容(如是否要多媒體)、讀者數量與需求、運行環境、發展目標、當前經費等因素。從長遠來看, 為了保證網絡正常運行, 真正實現多校區聯網服務, 且保證該軟件5年內不落后, 建議選用好一點的軟件, 服務器端采用UNIX平臺, 業界認為UNIX平臺相對Windows NT 來說更為穩定、安全性高, 病毒攻擊少, 硬件配置也適當高一點, 這樣可保證有較快的運行速度, 否則隨著數據庫的數量不斷增多, 運行速度將會大大降低。

八、結束語

當然, 高等職業院校數字圖書館建設還涉及到許多更深層次的問題, 如數字圖書館的軟件開發, 數字信息資源的建設、組織與檢索, 網絡安全與維護等。通過近幾年的工作, 國內的數字圖書館研究與開發已取得一定的進展, 但與國際先進水平相比差距仍很大。我們必須認清形勢, 抓住機遇, 迎頭趕上, 加速建設我國的數字圖書館, 改變因特網上中文信息極度匱乏的狀況, 通過網絡向全球宏揚我國悠久的歷史和燦爛的文化, 展現改革開放以來的巨大成就, 使數字圖書館在我國兩個文明的建設中發揮應有的作用。

第四篇：數字圖書館

數字圖書館 http:// 海納百川數字圖書館： http://hnbc.hpe.sh.cn/01/01A/01.htm 東北財經大學經濟學及管理學網站學術書齋：

http://time.dufe.edu.cn/xsshuku/xshshuku1.htm 強烈推薦其中的經濟學講義和 教材

三思科學網： http://www.tmdps.cn/ 中國農村村民自治網： http://www.tmdps.cn http://www.tmdps.cn/ 中國公共管理： http://www.tmdps.cn/ 公共政策分析： http://www.tmdps.cn/ 哲學網： http://www.tmdps.cn/

第五篇：簡易數字存儲示波器設計

合肥工業大學 課程設計實驗報告

題目：簡易數字存儲示波器設計 學院： 專業： 姓名： 學號： 指導老師：

目錄

一、概述---------------第二頁

1.課程設計題目及要求---------------

2.課程設計目的-----------------------

3．背景介紹-------------------------

二、設計方案與電路實現第四頁

1.工作原理----------------------------

2.利用Quartus軟件，編寫.v文件-------

3.modelsim及Quartus軟件仿真，描述電路性能的波形等參數

4.模擬仿真、結論------------------

三、心得體會--------第九頁

四、參考文獻--------------第九頁

一、概述

（1）課程設計的題目及要求

1.課程設計的題目：簡易數字存儲示波器設計.2.課程設計的要求：

a.利用 FPGA 實現數字存儲示波器.b.由 FPGA 控制 ADC 對一路模擬信號采樣, 采樣數據暫存于 RAM 中.c.由 FPGA 將 RAM 中的數據讀出, 并控制 DAC 輸出給示波器顯示.d.由一個按鍵模擬觸發信號.e.選用 GW48-PK2 系統, 編寫程序在 FPGA 上實現并加以驗證.（2）課程設計目的

1．通過本次課程設計掌握Quartusm及modelsim軟件的運用 2．掌握數字信號處理的原理方法與實現的過程

3.通過本次課程設計學習解決問題的思路與方法，學習查找資料和運用所學知識解決實際問題的能力 4.學習與別人溝通和合作的能力 5.學會獨立思考

（3）背景介紹

數字存儲示波器有別于一般的模擬示波器，它是將采集到的模擬電壓信號轉換為數字信號，由內部微機進行分析、處理、存儲、顯示或打印等操作。這類示波器通常具有程控和遙控能力，通過GPIB接口還可將數據傳輸到計算機等外部設備進行分析處理。

數字存儲示波器的基本原理如圖所示，其工作過程一般分為存儲和顯示兩個階段。在存儲階段，首先對被測模擬信號進行采樣和量化，經 A/D轉換器轉換成數字信號后，依次存入RAM中，當采樣頻率足夠高時，就可以實現信號的不失真存儲。當需要觀察這些信息時，只要以合適的頻率把這些信息從存儲器RAM中按原順序取出，經D/A轉換和LPE濾波后送至示波器就可以觀察的還原后的波形。

普通模擬示波器 CRT 上的 P31 熒光物質的余輝時間小于 1ms。在有些情況下，使用 P7 熒光物質的 CRT 能給出大約 300ms 的余輝時間。只要有信號照射熒光物質，CRT 就將不斷顯示信號波形。而當信號去掉以后使用 P31 材料的 CRT 上的掃跡迅速變暗，而使用 P7 材料的 CRT 上的掃跡停留時間稍長一些。

那么，如果信號在一秒鐘內只有幾次，或者信號的周期僅為數秒，甚至信號只猝發一次，那又將會怎么樣呢？在這種情況下，使用我們上面介紹過的模擬示波器幾乎乃至于完全不能觀察到這些信號。

所謂數字存儲就是在示波器中以數字編碼的形式來貯存信號。當信號進入數字存儲示波器，或稱 DSO 以后，在信號到達CRT 的偏轉電路之前（圖1），示波器將按一定的時間間隔對信號電壓進行采樣。然后用一個模/數變換器（ADC）對這些采樣值進行變換從而生成代表每一個采樣電壓的二進制字。這個過程稱為數字化。

獲得的二進制數值貯存在存儲器中。對輸入信號進行采樣的速率稱為采樣速率。采樣速率由采樣時鐘控制。對于一般使用情況來說，采樣速率的范圍從每秒 20 兆次（20MS/s）到 200MS/s。存儲器中貯存的數據用來在示波器的屏幕上重建信號波形。所以，在DSO中的輸入信號接頭和示波器 CRT 之間的電路不只是僅有模擬電路。輸入信號的波形在 CRT 上獲得顯示之前先要存貯到存儲器中，我們在示波器屏幕上看到的波形總是由所采集到數據重建的波形，而不是輸入連接端上所加信號的直接波形顯示。

二、設計方案與電路實現

1.工作原理

數字存儲示波器與模擬示波器不同在于信號進入示波器后立刻通過高速A/D轉換器將模擬信號前端快速采樣，存儲其數字化信號。并利用數字信號處理技術對所存儲的數據進行實時快速處理，得到信號的波形及其參數，并由示波器顯示，從而實現模擬示波器功能，而且測量精度高。還可存儲信號，因而，數字存儲示波器可以存儲和調用顯示特定時刻信號。

計數器模塊采用和A/D同步時鐘，通過寫使能wren控制A/D采樣，當wren=1時，處于與采樣允許階段，每一個時鐘周期A/D采集一次數據，每經過一個采樣周期地址計數器加一，產生一次地址鎖存，并把數據鎖存到RAM中。

2.A/D結構 ①內含S/H；

②為半閃爍結構（flash)，兩個4bit并行A/D組合為8 bit，轉換速率20 Ms/s； ③輸入信號 +（0– 2）V； ④基準電壓 + 2V 等等 TLC5510內部電路結構

3.利用quartus軟件，編寫.v文件（1）頂層模塊

module reserve(clk, key1, trag, adin, dout);

input[7:0] adin;input clk,key1;

output[9:0] trag;output[9:0] dout;

wire[9:0] trag;wire[9:0] dout;wire[9:0] Q1;wire[7:0] md;wire[7:0] din;

reg[9:0] t;

assign dout={md[7:0],2'b00};assign trag=Q1;

count count(.q1(Q1),.clock(clk));ad ad(.ADIN(adin),.DIN(din),.CLK(clk));

dpram dpram(.data(din),.wren(key1),.q(md),.address(Q1),.inclock(clk));endmodule

（2）計數器模塊

module count(clock,q1);input clock； output[9:0] q1;

reg[9:0] t;

always @(posedge clock)begin t<=t+1;end

assign q1=t;endmodule

（3）A/D模塊

module ad(ADIN,CLK,DIN);input CLK;input[7:0] ADIN;output[7:0] DIN;

reg[7:0] m;

always@(posedge CLK)begin m<=ADIN;end

assign DIN=m;endmodule

描述電路

4.實驗結論

經過在modelsim上仿真得到的波形滿足預先設計的功能，在quartus上編譯的結果也是正確的。

三．心得體會

這次的實驗讓我收獲頗多，因為這次的課程設計需要用到單片機的知識,verilog的知識，還用到了數字集成電路的知識，是我對于本專業的認識有了更深的了解，也是我明白了現在市面上的電子產品大體的設計步驟。不但如此，我還通過這次試驗掌握了示波器的使用方法，協調了知識綜合應用的能力。這次試驗中還用到了數模模數芯片，讓我對其產生好奇，因為這就相當于電子世界里面的人類的聽覺。并且通過這次實驗還對于quartus和modelsim軟件仿真有了一些認識，知道了編程序不要怕從哪里下手，一定要多練，寫的多了，自然而然就會了，這次實驗讓我對于vrilog語言結構有更多了認識，并且我也熟悉了老師們經常在課堂上說的FPGA，而且還鍛煉和組員們的協調能力，合作能力，受益匪淺。

四．參考文獻

《EDA技術實用教程---VHDL》潘松、黃繼業編著；

《Verilog HDL高級數字設計》出版社: 電子工業出版社;第1版(2010年4月1日；

《Verilog數字系統設計教程》夏宇聞；

《數字信號處理的FPGA實現》（第2版）劉凌譯；