基于虛擬儀器技術(shù)新型混沌信號(hào)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(tái))是美國(guó)NI公司(National Instruments Cornpany)研制的一種編程語(yǔ)言，由于LabVIEW采用基于流程圖的圖形化編程語(yǔ)言，因此也被稱(chēng)為G語(yǔ)言(Graphics Language)。G語(yǔ)言編寫(xiě)的程序稱(chēng)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(kāi)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(cè)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(cè)試儀器和測(cè)試系統(tǒng)的主要方法和手段。本文通過(guò)構(gòu)造一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)值α可變的3分段線(xiàn)性奇函數(shù)利用LabVIEW設(shè)計(jì)一種新的虛擬混沌信號(hào)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(hào)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(hào)產(chǎn)生器的概述

    　混沌是非線(xiàn)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(cè)，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(wú)序卻又頗有規(guī)則的圖像。 在非線(xiàn)性電路中產(chǎn)生各種不同類(lèi)型并適合保密通信的混沌與超混沌信號(hào)是近年來(lái)物理學(xué)和信息科學(xué)界所關(guān)注的一個(gè)熱門(mén)課題，目前在國(guó)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(guó)學(xué)者Sprott通過(guò)計(jì)算機(jī)窮舉法，又提出了一類(lèi)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(lèi)混沌電路中，非線(xiàn)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(xiàn)性函數(shù)。本文在文獻(xiàn)[1，2]的基礎(chǔ)上，通過(guò)構(gòu)造一個(gè)α轉(zhuǎn)折點(diǎn)值可變的三分段線(xiàn)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(lèi)型的混沌吸引子。

    　美國(guó)學(xué)者SpIott于2000年前后提出了一類(lèi)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(xiàn)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(xiàn)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(guò)圖形化設(shè)計(jì)語(yǔ)言LabVIEW 8．2來(lái)設(shè)計(jì)新型混沌信號(hào)產(chǎn)生器。 3基于虛擬儀器的新型混沌信號(hào)產(chǎn)生器的設(shè)計(jì)

3．1設(shè)計(jì)原理
　　新型混沌信號(hào)產(chǎn)生器采用美國(guó)NI公司開(kāi)發(fā)的圖形化設(shè)計(jì)語(yǔ)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(guò)虛擬儀器觀察混沌信號(hào)。

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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)輸入方程(1)的參數(shù)α和出及畫(huà)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(huà)點(diǎn)的總數(shù)目"、"畫(huà)一次的點(diǎn)的數(shù)目"。
(3)1個(gè)布爾開(kāi)關(guān)
　　他用來(lái)控制程序運(yùn)行，操作Controls＞＞Boolean＞＞Stop Button。設(shè)置開(kāi)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(xiě)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(hào)產(chǎn)生器后面板流程圖按照?qǐng)D4進(jìn)行連線(xiàn)即可。

3．3 混沌信號(hào)產(chǎn)生器信號(hào)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(hào)設(shè)為1，通道號(hào)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(hào)。

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(guò)示波器觀察到的圖像和圖5，完全一致。