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基于虚拟仪器技术新型混沌信号产生器的设计

作者:刘兴云,鲁池梅,程永山2008.02.12阅读 3113

       软件LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engi-neering Workbench,实验室虚拟仪器工程平台)是美国NI公司(National Instruments Cornpany)研制的一种编程语言,由于LabVIEW采用基于流程图的图形化编程语言,因此也被称为G语言(Graphics Language)。G语言编写的程序称为虚拟仪器VI(Virtual Instruments),他的界面和功能与真实仪器十分相像,在LabVIEW环境下开发的应用程序都被冠以VI后缀,以表示虚拟仪器的含义。一个VI由三部分组成:程序前面板(Frorlt Panel)、数据流框图程序(Diagram program)和图标/连接端口(Icon/TerlTli-nal)。

       随着现代测试与仪器技术的发展,目前虚拟仪器概念已经发展成为一种创新的仪器设计思想,成为设计复杂测试仪器和测试系统的主要方法和手段。本文通过构造一个转折点值α可变的3分段线性奇函数利用LabVIEW设计一种新的虚拟混沌信号产生器。由于此仪器参数调节方便、易实现、可靠性高、实时性好,与传统的自治混沌系统相比,此仪器输出的混沌信号更适合于作为混沌保密通信系统的信息载体,提高通信系统的安全性。

2 新型混沌信号产生器的概述

       混沌是非线性动力系统所特有的一种运动形式,他广泛地存在于自然界。一般而言,混沌现象隶属于确定性系统而难以预测,隐含于复杂系统但又不可分解以及呈现多种混沌无序却又颇有规则的图像。 在非线性电路中产生各种不同类型并适合保密通信的混沌与超混沌信号是近年来物理学和信息科学界所关注的一个热门课题,目前在国内外已取得了许多相关的研究成果,如三阶混沌电路、四阶变型混沌电路、四阶MCK超混沌电路、洛伦兹电路、蔡氏电路、多涡卷混沌与超混沌电路等。最近美国学者Sprott通过计算机穷举法,又提出了一类新的三阶混沌电路,其主要特征是能产生单层单螺旋、单层双螺旋混沌吸引子。

       在混沌电路、四阶MCK超混沌电路以及Sprott所提出的一类混沌电路中,非线性函数f(χ)大多是采用转折点值和斜率值均为固定的分段线性函数。本文在文献[1www.cechina.cn,2]的基础上,通过构造一个α转折点值可变的三分段线性奇函数,研究了一种新型混沌产生器控制工程网版权所有,其主要特点是:随着转折点值α在0<α≤1范围内变化时CONTROL ENGINEERING China版权所有,电路从倍周期分岔进入混沌状态,可产生双层单螺旋、单层单螺旋、双层双螺旋和单层双螺旋4种不同类型的混沌吸引子。

    美国学者SpIott于2000年前后提出了一类能产生单层单螺旋、单层双螺旋混沌吸引子的电路,其电路的状态方程表示为:

 式1中的
式(1)中的β=0.6,当f(χ)=│χ│-1时,电路产生的单层单螺旋混沌吸引子,当f(χ)=sgn(χ)-χ时,可产生单层双螺旋混沌吸引子。
在文献[1www.cechina.cn,2]研究结果的基础上控制工程网版权所有,构造一个转折点值α可变的三分段线性奇函数[3]:

  式2中f
 
式(2)中f(χ)和χ的单位均为VCONTROL ENGINEERING China版权所有,由式(1),(2),可得用转折点值α可变的三分段线性奇函数构成的混沌产生器如图1所示。

基于虚拟仪器技术新型混沌信号产生器的设计如图

 

图1中的所示的元件参数为:R0=1kΩ,Ra=1.67kΩ,R=15kΩ,C0=33nF,有源器件OP1~OP5均为运算放大器TL082,电源供电电压为±15V,R0为可调电阻,调节其大小可改变,f(χ)的转折点值和斜率。f(χ)的伏安特性如图2所示。

 

基于虚拟仪器技术新型混沌信号产生器的设计如图


     本文通过图形化设计语言LabVIEW 8.2来设计新型混沌信号产生器。 3基于虚拟仪器的新型混沌信号产生器的设计

3.1设计原理
      新型混沌信号产生器采用美国NI公司开发的图形化设计语言LabVIEW 8.2进行设计,借助LabVIEW强大的数值计算功能,求解三阶微分方程(1),然后通过虚拟仪器观察混沌信号。

3.2基于LabVIEW的混沌电路具体编程[4] 
       新建LabVIEW窗口,在前面板内进行前面板设汁,在后面板内进行流程图设计。

3.2.1 前面板设计

(1)6个图形控件
  

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