基于虛擬儀器技術(shù)新型混沌信號產(chǎn)生器的設(shè)計(jì)

　　軟件LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engi-neering Workbench，實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺)是美國NI公司(National Instruments Cornpany)研制的一種編程語言，由于LabVIEW采用基于流程圖的圖形化編程語言，因此也被稱為G語言(Graphics Language)。G語言編寫的程序稱為虛擬儀器VI(Virtual Instruments)，他的界面和功能與真實(shí)儀器十分相像，在LabVIEW環(huán)境下開發(fā)的應(yīng)用程序都被冠以VI后綴，以表示虛擬儀器的含義。一個(gè)VI由三部分組成：程序前面板(Frorlt Panel)、數(shù)據(jù)流框圖程序(Diagram program)和圖標(biāo)／連接端口(Icon／TerlTli-nal)。

   　 隨著現(xiàn)代測試與儀器技術(shù)的發(fā)展，目前虛擬儀器概念已經(jīng)發(fā)展成為一種創(chuàng)新的儀器設(shè)計(jì)思想，成為設(shè)計(jì)復(fù)雜測試儀器和測試系統(tǒng)的主要方法和手段。本文通過構(gòu)造一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)值α可變的3分段線性奇函數(shù)利用LabVIEW設(shè)計(jì)一種新的虛擬混沌信號產(chǎn)生器。由于此儀器參數(shù)調(diào)節(jié)方便、易實(shí)現(xiàn)、可靠性高、實(shí)時(shí)性好，與傳統(tǒng)的自治混沌系統(tǒng)相比，此儀器輸出的混沌信號更適合于作為混沌保密通信系統(tǒng)的信息載體，提高通信系統(tǒng)的安全性。

2 新型混沌信號產(chǎn)生器的概述

    　混沌是非線性動(dòng)力系統(tǒng)所特有的一種運(yùn)動(dòng)形式，他廣泛地存在于自然界。一般而言，混沌現(xiàn)象隸屬于確定性系統(tǒng)而難以預(yù)測，隱含于復(fù)雜系統(tǒng)但又不可分解以及呈現(xiàn)多種混沌無序卻又頗有規(guī)則的圖像。 在非線性電路中產(chǎn)生各種不同類型并適合保密通信的混沌與超混沌信號是近年來物理學(xué)和信息科學(xué)界所關(guān)注的一個(gè)熱門課題，目前在國內(nèi)外已取得了許多相關(guān)的研究成果，如三階混沌電路、四階變型混沌電路、四階MCK超混沌電路、洛倫茲電路、蔡氏電路、多渦卷混沌與超混沌電路等。最近美國學(xué)者Sprott通過計(jì)算機(jī)窮舉法，又提出了一類新的三階混沌電路，其主要特征是能產(chǎn)生單層單螺旋、單層雙螺旋混沌吸引子。

   　 在混沌電路、四階MCK超混沌電路以及Sprott所提出的一類混沌電路中，非線性函數(shù)f(χ)大多是采用轉(zhuǎn)折點(diǎn)值和斜率值均為固定的分段線性函數(shù)。本文在文獻(xiàn)[1，2]的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)造一個(gè)α轉(zhuǎn)折點(diǎn)值可變的三分段線性奇函數(shù)，研究了一種新型混沌產(chǎn)生器，其主要特點(diǎn)是：隨著轉(zhuǎn)折點(diǎn)值α在0＜α≤1范圍內(nèi)變化時(shí)，電路從倍周期分岔進(jìn)入混沌狀態(tài)，可產(chǎn)生雙層單螺旋、單層單螺旋、雙層雙螺旋和單層雙螺旋4種不同類型的混沌吸引子。

    　美國學(xué)者SpIott于2000年前后提出了一類能產(chǎn)生單層單螺旋、單層雙螺旋混沌吸引子的電路，其電路的狀態(tài)方程表示為： 

 
　　式(1)中的β＝0．6，當(dāng)f(χ)＝│χ│－1時(shí)，電路產(chǎn)生的單層單螺旋混沌吸引子，當(dāng)f(χ)＝sgn(χ)－χ時(shí)，可產(chǎn)生單層雙螺旋混沌吸引子。
在文獻(xiàn)[1，2]研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，構(gòu)造一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)值α可變的三分段線性奇函數(shù)[3]：

  
 
　　式(2)中f(χ)和χ的單位均為V，由式(1)，(2)，可得用轉(zhuǎn)折點(diǎn)值α可變的三分段線性奇函數(shù)構(gòu)成的混沌產(chǎn)生器如圖1所示。

　　圖1中的所示的元件參數(shù)為：R0＝1kΩ，Ra＝1．67kΩ，R＝15kΩ，C0＝33nF，有源器件OP1～OP5均為運(yùn)算放大器TL082，電源供電電壓為±15V，R0為可調(diào)電阻，調(diào)節(jié)其大小可改變，f(χ)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)值和斜率。f(χ)的伏安特性如圖2所示。

　　本文通過圖形化設(shè)計(jì)語言LabVIEW 8．2來設(shè)計(jì)新型混沌信號產(chǎn)生器。 3基于虛擬儀器的新型混沌信號產(chǎn)生器的設(shè)計(jì)

3．1設(shè)計(jì)原理
　　新型混沌信號產(chǎn)生器采用美國NI公司開發(fā)的圖形化設(shè)計(jì)語言LabVIEW 8．2進(jìn)行設(shè)計(jì)，借助LabVIEW強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能，求解三階微分方程(1)，然后通過虛擬儀器觀察混沌信號。

3．2基于LabVIEW的混沌電路具體編程[4]
　　新建LabVIEW窗口，在前面板內(nèi)進(jìn)行前面板設(shè)汁，在后面板內(nèi)進(jìn)行流程圖設(shè)計(jì)。

3．2．1 前面板設(shè)計(jì)

(1)6個(gè)圖形控件
　　其中3個(gè)圖形控件分別用來顯示狀態(tài)變量X，Y和Z的混沌時(shí)序圖，另3個(gè)圖形控件用來顯示狀態(tài)變量X，Y和Z相互的相平面圖。
　　操作Controls＞＞Graph＞＞W(wǎng)aveform Graph三次，調(diào)入三個(gè)圖形控件Graph，分別標(biāo)記為"X時(shí)序圖"、"Y時(shí)序圖"、"Z時(shí)序圖"；操作Controls＞＞Graph＞＞XY Graph三次，調(diào)入3個(gè)圖形控件，分別標(biāo)記為"XY相圖"、"XZ相圖"和"YZ相圖"。
(2)7個(gè)數(shù)字型控件
　　他們分別是：用來輸入方程(1)的初值χ0，y0，z0操作Controls＞＞Numeric＞＞Dial三次，得到3個(gè)輸入型數(shù)字控件，標(biāo)記為"z0"，"y0"，"z0"；用來輸入方程(1)的參數(shù)α和出及畫圖參數(shù)等，操作Controls＞＞Numeric＞＞Nu-meric Control四次，得到4個(gè)輸入型數(shù)字控件，分別標(biāo)記為"α"，"dt"，"畫點(diǎn)的總數(shù)目"、"畫一次的點(diǎn)的數(shù)目"。
(3)1個(gè)布爾開關(guān)
　　他用來控制程序運(yùn)行，操作Controls＞＞Boolean＞＞Stop Button。設(shè)置開關(guān)按鈕"停止"。

3．2．2流程圖設(shè)計(jì)

　　在流程圖窗口內(nèi)執(zhí)行Function＞＞Structures＞＞while Loop操作，建立一個(gè)循環(huán)。
　　在while loop左、右邊框上，分別單擊右鍵，操作AddShift Register各6次。
　　在while Loop邊框外，執(zhí)行Function＞＞Array＞＞Array constant操作，值設(shè)為0。
　　在這個(gè)While循環(huán)內(nèi)，執(zhí)行Function＞＞Structures＞＞Formula Node操作，在公式框內(nèi)寫入微分方程
　　在Formula Node的右邊框上，單擊右鍵，操作AddOutput五次。分別輸　　入"χ"，"Y"，"z"，"α"，"dt"
　　在Formula Node的右邊框上，單擊右鍵，操作AddOutput三次。分別輸入"dχ"，"dy"，"dz"。
　　執(zhí)行Function＞＞Array＞＞Build Array操作3次
　　執(zhí)行Function＞＞Array＞＞Replace Array Subset操作3次。
　　執(zhí)行Function＞＞Array＞＞Array To Cluster操作3次。
　　執(zhí)行Function＞＞Numeric＞＞Conversion＞＞To Long Integer操作一次，分別輸　　入"Number of Points"，"Points per Draw"
　　執(zhí)行Function＞＞Numeric＞＞>Quotient & Remain-der操作
　　執(zhí)行Function＞＞Time　&　Dialog＞＞W(wǎng)ait(ms)操作，輸入0。
　　執(zhí)行Function＞＞Boolean＞＞True constant操作。
　　虛擬新型混沌信號產(chǎn)生器后面板流程圖按照圖4進(jìn)行連線即可。

3．3 混沌信號產(chǎn)生器信號的輸出
　　安裝NI公司的PCI26014數(shù)據(jù)采集卡并設(shè)置參數(shù)，操作Function＞＞Data Acquisition＞＞Analog Output＞＞AOUpdate Channel．vi一次，形成一個(gè)圖標(biāo)，圖標(biāo)的儀器號設(shè)為1，通道號設(shè)置為O。將圖標(biāo)的輸入與狀態(tài)變量X相連，這樣就可由數(shù)據(jù)采集卡輸出狀態(tài)變量X的、混沌信號。

3．4 LabVIEW仿真結(jié)果
　　在LabVIEW前面板上觀察到的圖形如圖5所示：
　　在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)硬件電路中，通過示波器觀察到的圖像和圖5，完全一致。