混沌信号发生电路的制作方法

文档序号:7749705阅读:684来源:国知局

专利名称::混沌信号发生电路的制作方法
技术领域
:本发明涉及一种混沌信号发生电路,具体是一种基于微控制器的改进型广义Lorenz混沌信号发生电路。
背景技术
:混沌揭示了非线性系统运动的真实规律及基本特征,反映了系统的动力学行为。由于混沌信号的类随机性、连续宽带功率谱特性、混沌系统对初始条件的敏感依赖性,以及易于产生、难以通过常用的时域和频域处理来预测和分离等特点,使得混沌信号特别适用于保密通信和信息加密等领域。因此,实现具有不同混沌特性的混沌信号发生电路,长期以来是研究人员所关注的热点。混沌信号发生电路的研究,也是通信加密、雷达通信、电子对抗、认知无线电等信息工程领域应用需要,可应用在科研和教学过程中混沌现象实验演示、混沌系统实验验证等。蔡氏混沌电路是众多设计中最典型的一种,蔡氏电路的模型由电容、电感、电阻和蔡氏二极管构成电子电路来实现,用于产生双涡卷或多涡卷混沌信号,由于分立电子元件的离散性较大,给电路设计及调试带来一定困难。目前国内已有报道的混沌信号发生电路设计方法主要有两类①利用运算放大器、电阻、电容等元件,构成加法、减法、微分和积分电路,实现混沌信号输出,这种由分立元器件组成的模拟电路,参数离散性大、调试复杂、电路通用性差,不利于推广应用;②采用数字处理技术,对混沌系统的连续时间无量纲状态方程进行离散化处理,用FPGA可编程逻辑器件实现算法,通过D/A产生混沌信号,用FPGA实现混沌算法时需要消耗大量的硬件逻辑资源,因此算法的精度与逻辑单元的容量成为电路设计的瓶颈。
发明内容本发明所要解决的技术问题是提供一种可靠性和稳定性较好、抗干扰性能较高的混沌信号发生电路。为解决上述技术问题,本发明提供了一种混沌信号发生电路,包括微控制器、信号隔离电路、第一D/A转换电路、第二D/A转换电路和第三D/A转换电路;各D/A转换电路包括一个16位的移位寄存器和一个16位的DAC寄存器,且各D/A转换电路中的移位寄存器的依次串联,以构成48位移位寄存器。微控制器的SPI接口输出的串行数字信号MISO经信号隔离电路送入第一D/A转换电路的串行数据输入端DATAINx,所述SPI接口输出的时钟信号SCK和锁存控制信号SS分别经信号隔离电路送入各D/A转换电路的时钟输入端CLOCK和锁存控制信号输入端LATCH,以实现串行同步通信。所述微控制器是在将改进型广义Lorenz系统的数学表达式中的三个状态变量xn、yn、zn作同比例的线性变换,使所述的三个状态变量xn、yn、zn的动态幅度缩小到1/10,并进行离散化处理,然后得到类Lorenz系统、类Chen系统或类LU系统的离散化迭代算法表达式的基础上,根据所述类Lorenz系统、类Chen系统或类LU系统的离散化迭代算法表达式计算出所述三个状态变量xn、yn>zn的浮点数型的数据,然后将该浮点数型的数据转换为整数型的数据,以作为所述串行数字信号MISO输出。每当时钟输入端CLOCK的时钟上升边沿发生时,所述串行数字信号MISO经信号隔离电路从所述第一D/A转换电路的串行数据输入端DATAINx串行进入所述48位移位寄存器,且在时钟输入端CLOCK的第48个时钟上升边沿来到时,使所述锁存控制信号输入端LATCH产生一上升边沿,以使各D/A转换电路中的16位移位寄存器中的16位数据被立即装载到相应的DAC寄存器中,然后各组16位数据被锁存并驱动数模转换,从而实现\、Vy、Vz混沌信号的同步输出。进一步,在各D/A转换电路的电压信号输出端Vott设有可变增益放大电路,且该可变增益放大电路的输出电压的动态范围为OV+10V。进一步,所述微控制器的开关控制端设有三个控制开关IVK1和K2,微控制器通过判断各控制开关的逻辑状态,实现类Lorenz系统、类Chen系统、类LU系统的离散化迭代算法模式的选择及混沌吸引子的折叠方向的选择。本发明具有积极的效果(1)本发明的混沌信号发生电路是基于微控制器的多维混沌信号发生电路,通过编程实现三维改进型广义Lorenz系统,采用Euler算法对改进型广义Lorenz系统的连续状态方程进行了离散化处理,建立了适合微控制器实现的运行算法,通过软件编程获得了数字电路实验输出,并获得了与计算机仿真结果完全一致的电路输出,验证了基于微控制器数字电路实现混沌系统的可行性,生成的数字混沌系统具有较好的通用性、软件可移植性,设计思路可推广到一般的或高维的混沌系统电路的设计与实现。(2)本发明的混沌信号发生电路具有以下特点①微控制器与A/D模数电路采用SPI接口,工作速度快,适用于具有SPI接口的各种微控制器芯片,电路通用性强;②电路模块化设计,结构简单,多维模拟电压信号同步输出;③系统易于扩展,信号维数可变,可推广到多维混沌系统,能适应不同的混沌系统,如多翼LU系统、四维网格涡卷超混沌系统、多涡卷Colpitts混沌系统等,能产生不同类型的多维混沌吸引子相轨图;④用C语言设计的软件可移植,能适应不同的混沌系统;⑤采用具有高速CMOS工艺和芯片级变压器技术的数字隔离器件ADUM120,抑制系统干扰;⑥隔离电路驱动电流小,支持低电压工作的微处理器,通过隔离电路实现电平转换,与A/D电路接口。(3)本发明在分析改进型广义Lorenz系统及其折叠混沌吸引子特性的基础上,给出了类Lorenz系统、类Chen系统和类LU系统在典型系统参数下的左右折叠混沌吸引子仿真结果。在此基础上,基于微控制器设计了一个通用的数字电路,采用Euler算法对改进型广义Lorenz系统的连续状态方程进行了离散化处理,建立了适合微控制器实现的运行算法,混沌吸引子折叠方向、系统工作模式可选择。实验输出结果与数值仿真结果完全一致,证实了基于微控制器的数字电路实现广义Lorenz系统混沌电路的可行性,其硬件电路不仅具有通用性,而且软件设计思路可移植,可推广到高维的混沌系统数字电路实现,从而为微控制器实现混沌同步和保密通信提供了一个较好的技术支持,为基于混沌应用的研究打下了基础。为了使本发明的内容更容易被清楚的理解,下面根据的具体实施例并结合附图,对本发明作进一步详细的说明,其中图1为实施例中的改进型广义Lorenz系统的吸引子仿真图;图2为实施例中的混沌信号发生电路的电路原理图;图3为所述混沌信号发生电路中的三路D/A转换电路的电路原理图;图4为实施例中的混沌信号发生电路的数据输入/输出时序;图5为实施例中的混沌信号发生电路的程序流程框图。具体实施例方式本实施例的混沌信号发生电路包括微控制器、信号隔离电路、第一D/A转换电路、第二D/A转换电路和第三D/A转换电路。各D/A转换电路包括一个16位的移位寄存器和一个16位的DAC寄存器,且各D/A转换电路中的移位寄存器的依次串联,以构成48位移位寄存器;微控制器的SPI接口输出的串行数字信号MISO经信号隔离电路送入第一D/A转换电路的串行数据输入端DATAINx,所述SPI接口输出的时钟信号SCK和锁存控制信号SS分别经信号隔离电路送入各D/A转换电路的时钟输入端CLOCK和锁存控制信号输入端LATCH,以实现串行同步通信。所述的SPI接口即为串行外围接口。改进型广义Lorenz系统,其数学表达式如下*0...—00丨厂i=:i\-■00-1XCl)I00Λ,100、--其中,χ=[xyζ]τ,λ3eR,以及A是一个2X2实矩阵;Cl.a、'·A=(2)‘αλ·(/λ-,其特征根U1,λ2)GR,并有λ2>λ1>λ3>0。如果它至少有一个解不趋于零或者无穷或者极限环,那么改进型广义Lorenz系统也被称为非平凡的。与广义Lorenz系统所不同的是,所述表达式(1)所表示的改进型广义Lorenz系统新增了一个线性项系数a23=士1。系数a23可使所述改进型广义Lorenz系统的混沌吸引子产生折叠,其折叠方向取决于a23的不同符号值,这里把a23称为折叠因子,可以证明对折叠因子作符号切换后不改变系统的动力学特性。所述改进型广义Lorenz系统与广义Lorenz系统之间不存在微分同胚,它们是拓扑不等价的。根据上述表达式⑵中的a12a21项,和Celikovsky对三维自治广义Lorenz系统给出了分类。按照其分类方法,对所述改进型广义Lorenz系统分为类Lorenz、类Chen和类Lu混沌系统,其中,类Lorenz系统满足:a12a21>O;类Chen系统满足:a12a21<O;类LU系统满足a12a21=O。同样地,在Vangδek和0e1ikovskf意义下,类Chen系统是类Lorenz系统的对偶系统,而类LU系统则代表了类Lorenz系统和类Chen系统之间的转换。设an=a12=a,a21=ρ,a22=q,λ3=b。当ρ=c,q=1时,有a12a21>0,由表达式⑴可导出类Lorenz系统;当ρ=(ca),q=c时,有a12a21<0,由表达式(1)可导出类Chen系统;当p=0,q=c时,有a12a21=0,则由表达式(1)导出类Lil系统。典型系统参数值时,改进型广义Lorenz系统在XZ平面上的右折叠吸引子和左折叠吸引子仿真图如图1所示。微控制器每执行一条指令需要消耗一定的时间(指令周期),并通过分时方法控制多个输入/输出接口,采用并行接口方式不仅受到微控制器I/O口资源的制约,而且多路信号同步输出难于处理。对于一个多维的混沌系统,为了实现多路模拟电压的同步输出,除了考虑多路独立的D/A通道外,还必须考虑模拟输出信号的同步控制,以及与微控制器的接口等问题。图2为三维混沌信号同步输出电路结构图,由微控制器、信号隔离电路、D/A转换电路等构成。微控制器选用具有SPI串行通信接口的ATmega128,工作速度高达50ns,通过SPI接口与D/A转换电路进行高速数据传输。各D/A转换电路包括型号为AD420的数模转换器,各D/A转换电路的串行输入端DATA、时钟CLOCK、锁存控制LATCH分别与SPI串行口的MIS0、SCK、SS相接,实现SPI串行同步通信,最大速率可达3.3Mb/s。AD420外接少量元件,就能得到高精度的连续模拟量输出。通过设置ATmegal28控制寄存器SPCR中的相应位,可设定主机/从机模式、数据位发送次序、波特率、SCK空闲电平、SCK采样边沿等参数。ATmegal28设定为SPI主机模式时,只要CPU对SPI数据缓冲器SPDR写入数据,即启动时钟SCK,将8位数据依次移入D/A转换电路。传输结束后,时钟SCK停止,产生中断标志。通过中断程序,CPU可以将多个数据移位到D/A转换电路中,并将数据存放在AD420的移位寄存器中。由于SPI系统的发送缓冲器只有一个,CPU在发送数据时,一定要等到8位数据移位过程全部结束后,才能对数据缓冲器SPDR执行写操作。AD420内包括16位移位寄存器和16位DAC寄存器,将x、y、ζ三路D/A转换电路的移位寄存器串联,以构成48位移位寄存器电路,如图3所示。DATAINX、INjPINz分别为第一、第二和第三D/A转换电路的串行数字信号输入端,0UTx、0UTY分别为第一、第二D/A转换电路的串行数字信号输出端,LATCH为16位并行数据锁存控制端,每当CLOCK时钟上升边沿发生时,数据从DATAINx端串行进入48位移位寄存器,数据发送顺序为高位首发。设Xn、Yn、Zn分别为χ、y、ζ三路通道的数据(16bit),当第48个CLOCK时钟上升边沿来到时,乂、丫、211数据被依次移入到三路40420移位寄存器中。此时,锁存控制信号输入端LATCH产生一个上升边沿,各移位寄存器中的16位数据分别被立即装载到各DAC寄存器中,数据被锁存并驱动数模转换,从而实现Vx、Vy、Vz电压信号的同步输出,数据输入/输出时序见图4所示。在微控制器与各D/A转换电路之间,采用ADUM1410四通道数字隔离器构成数字信号隔离通道,提高了系统的共模抑制能力,保证了模拟信号的稳定输出。由于AD420是一个单电源器件,模拟量电压输出Vqut动态范围只有OV+5V,在实验中为了获得宽电压输出,可在Vott输出端设计一级可变增益放大电路,如图3所示当Rf=R1=5kQ时,输出电压动态范围扩大至OV+10V。为了满足满量程3ms的快速响应,滤波电容C1和C2应选择低电介质的陶瓷电容,其中C1=0.01μF、C2=0.01μF。图2中IVK1,K2为控制开关,通过程序判断开关的逻辑状态,选择相应的系统参数,实现类Lorenz系统、类Chen系统、类LU系统模式选择及混沌吸引子的折叠方向选择,如表1所示。表1工作模式选择<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>要使连续的模拟信号通过数字系统来实现,必须对相应的连续系统进行离散化处理。微分方程的离散化通常有三种方法,即Euler算法、改进的Euler算法和Rimge-Kutta法,这三种离散化的方法各有优缺点,其中Rimge-Kutta法精度较高。本文采用了Euler算法对系统进行离散化处理,首先对所述改进型广义Lorenz系统(1)式中的三个状态变量作同比例的线性变换,使动态幅度缩小到1/10,然后进行离散化处理,得到<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中,xn+1=[xn+1yn+1ζη+1]τ,Xn=[χηynζη]τ,h为采样间隔。根据算法(3),可以得到类Lorenz系统、类Chen系统或类Lil系统的离散化迭代算法,分别为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>其中η为迭代次数,a23=士1为折叠因子,a、b、c为改进型广义Lorenz系统典型参数。依据离散化方程计算出来的数据为浮点数型,在将数据送给D/A转换电路之前,必须要将数据转换为整数型。同时,根据D/A转换的位数、模拟电压输出动态范围以及示波器观察相图的实验效果等因素,必须将模数转换的数字量进行适当的线性变换,即在软件设计中需要将数据进行转换。设Xn、Yn、Zn分别为三个状态变量xn、yn、zn调整后的16位整数型数字量,则<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>其中,d为混沌吸引子相轨图中心系数,与D/A转换器位数有关,取d=32768;k为比例系数,取k=10000。系数k可通过AVRSTUDIO仿真调试,获取Xn、Yn、Zn数据,在满足最大数据值不大于65536的条件下,由实验确定。根据算法⑷(5)(6)(7),可以设计出基于微控制器的C程序,然后通过ICCAVR编译器对C程序进行编译,生成HEX执行代码,用AVRSTUDIO进行仿真、调试,其程序流程图如图5所示,h取0.002。在迭代运算之前,首先赋予三个状态变量不全为零的初始值(X(1,y0,z0)=(1,1,1),判断IVKpK2开关状态,确定折叠方向及选择类Lorenz系统、类Chen系统或类LU系统工作模式,选定迭代算法,并赋予典型参数a、b、c进行迭代计算。迭代计算采用双精度格式化操作,最后进行数值换算并转化成整数型格式。采用安捷伦DS07032A数字示波器,将“Y通道”接Vz输出端,“X通道”接Vx输出端,可观察到在典型系统参数时改进型广义Lorenz系统在χζ平面上输出的相轨图,如图6所示。与图1所示的改进型广义Lorenz系统数值仿真结果作比较,可知两者结果完全一致。同时从实验结果还可知,改进型广义Lorenz系统可以生成复杂的双涡卷折叠吸引子和单涡卷折叠吸引子,其折叠方向可由折叠因子的符号进行切换。程序中的计算数值采用浮点数,由于计算结果只需保存第η次和第η+1次相关量值,所以微控制器RAM空间不受迭代次数η的制约,即系统硬件资源不受η影响。显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。权利要求一种混沌信号发生电路,其特征在于包括微控制器、信号隔离电路、第一D/A转换电路、第二D/A转换电路和第三D/A转换电路;各D/A转换电路包括一个16位的移位寄存器和一个16位的DAC寄存器,且各D/A转换电路中的移位寄存器的依次串联,以构成48位移位寄存器;微控制器的SPI接口输出的串行数字信号(MISO)经信号隔离电路送入第一D/A转换电路的串行数据输入端(DATAINx),所述SPI接口输出的时钟信号(SCK)和锁存控制信号(SS)分别经信号隔离电路送入各D/A转换电路的时钟输入端(CLOCK)和锁存控制信号输入端(LATCH),以实现串行同步通信;所述微控制器是在将改进型广义Lorenz系统的数学表达式中的三个状态变量xn、yn、zn作同比例的线性变换,使所述的三个状态变量xn、yn、zn的动态幅度缩小到1/10,并进行离散化处理,然后得到类Lorenz系统、类Chen系统或类Lü系统的离散化迭代算法表达式的基础上,根据所述类Lorenz系统、类Chen系统或类Lü系统的离散化迭代算法表达式计算出所述三个状态变量xn、yn、zn的浮点数型的数据,然后将该浮点数型的数据转换为整数型的数据,以作为所述串行数字信号(MISO)输出;每当时钟输入端(CLOCK)的时钟上升边沿发生时,所述串行数字信号(MISO)经信号隔离电路从所述第一D/A转换电路的串行数据输入端(DATAINx)串行进入所述48位移位寄存器,且在时钟输入端(CLOCK)的第48个时钟上升边沿来到时,使所述锁存控制信号输入端(LATCH)产生一上升边沿,以使各D/A转换电路中的16位移位寄存器中的16位数据被立即装载到相应的DAC寄存器中,然后各组16位数据被锁存并驱动数模转换,从而实现Vx、Vy、Vz混沌信号的同步输出。2.根据权利要求1所述的混沌信号发生电路,其特征在于在各D/A转换电路的电压信号输出端(VOTT)设有可变增益放大电路,且该可变增益放大电路的输出电压的动态范围为0V+10V。3.根据权利要求2所述的混沌信号发生电路,其特征在于所述微控制器的开关控制端设有三个控制开关(&、和K2),微控制器通过判断各控制开关的逻辑状态,实现类Lorenz系统、类Chen系统、类LU系统的离散化迭代算法模式的选择及混沌吸引子的折叠方向的选择。全文摘要本发明涉及一种混沌信号发生电路,其包括微控制器、信号隔离电路、三个D/A转换电路;各D/A转换电路包括16位移位寄存器和16位DAC寄存器,且各D/A转换电路中的移位寄存器的依次串联,以构成48位移位寄存器。微控制器的SPI接口输出的串行数字信号经信号隔离电路送入第一D/A转换电路的串行数据输入端,所述SPI接口输出的时钟信号和锁存控制信号分别经信号隔离电路送入各D/A转换电路的时钟输入端和锁存控制信号输入端。本发明基于微控制器的混沌电路,采用Euler算法对改进型广义Lorenz系统的连续状态方程进行了离散化处理,建立了适合微控制器实现的运行算法,混沌吸引子折叠方向、系统工作模式可选择。文档编号H04L9/00GK101834718SQ20101018192公开日2010年9月15日申请日期2010年5月26日优先权日2010年5月26日发明者包伯成,徐强,徐煜明,韩雁申请人:常州工学院
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