CN202094908U - 基于dsp的三维数字混沌信号发生器 - Google Patents
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Abstract
基于DSP的三维数字混沌信号发生器，主要由：数字信号处理芯片DSP与数模转换芯片及一系列外围电路所构成，数字信号处理芯片中固化有用于混沌系统离散化的Runge-Kutta算法程序。由DSP将运算结果输出至数模转换芯片DAC7724，进行数模转换。得到的模拟量输出分别为X、Y、Z三个变量，任取两个变量，可由示波器观察波形。本实用新型解决了现有技术中用模拟电路实现的系统混沌的动力学行为很容易受到器件本身和外界各种因素的影响，从而使模拟混沌电路发生参数漂移系统，使系统由混沌状态变为周期状态的问题。该发生器可以方便快捷的产生不同三维混沌系统的数字混沌信号。
Description
技术领域
本实用新型属于数据密码、保密通信和信息安全技术领域，具体涉及一种基于DSP的三维混沌信号数字发生器，可应用于混沌系统对通讯加密的领域。
背景技术
随着全球信息化的飞速发展，我国大量建设的各种信息化系统已经成为国家关键基础设施，其中许多业务要与国际接轨，诸如通信、电子商务、金融网络等方面的业务。同时在信息开放的今天，如何保障我国的政府、军事、商业和金融等行业领域的信息安全，成为我国建设的重要课题。信息安全已成为影响国家长远利益的重大关键课题。随着人类对自然不断地探索，混沌系统在信息安全等诸多方面得到了广泛的应用。
混沌现象是20世纪60年代发现的，被认为是继牛顿定律和相对论之后的重要发现，改变了人们对客观事物的认识方法。混沌至今还没有一个普遍被人们接受的定义。不同的定义从不同的角度看问题，尽管它们在逻辑上不一定等价，但是本质相同。混沌具有随机系统的特征，又具有很强的确定性和规律性，所谓形散而神聚。
混沌系统具有以下特征：
（1）非线性
（2）确定性
（3）对系统的初值相当敏感
（4）存在奇异吸引子
（5）长期不可预测性
（6）自相似结构
（7）无序中的有序性
目前对于用实际电路所构建的混沌电路，多是由电子器件所搭建起来的模拟电路，但是利用模拟电路实现混沌系统存在很多的缺点。混沌很重要的特性就是初值敏感性，而用模拟电路实现的系统混沌的动力学行为很容易受外界各种因素的影响，比如温度、工作电压、系统有关参数的微小变化都会使混沌系统的工作状态发生变化，使系统由混沌状态变为周期状态。
随着科学技术不断进步，DSP是微型计算机发展中的一个重要分支。用DSP实现的数字混沌保密系统的通讯系统在满足保密通信的隐蔽性、灵活性、保密性等要求的同时，具有成本低廉，便于携带和维护的优点。
发明内容
本实用新型的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种基于DSP的三维数字混沌信号发生器。
本实用新型所提供的基于DSP的三维数字混沌信号发生器包括：
数字信号处理芯片DSP，用于进行相关程序的运算与数据存储；芯片内固化有混沌系统离散化算法，在给定初值的情况下，DSP将运算结果输出至数模转换芯片；
数模转换芯片，与数字信号处理芯片DSP连接，用于将DSP输出的运算结果进行数模转换，并将转换后的模拟量输出，输出结果分为三个相位X、Y、Z，任取两个量，可由示波器观察波形；
供电模块，与数字信号处理芯片DSP连接，用于向DSP提供电源；
存储器模块，通过数据总线与数字信号处理芯片DSP连接，用于储存DSP计算所得三阶混沌系统的离散化后的点坐标；
复位电路模块，与数字信号处理芯片DSP连接，用于当DSP工作异常时重新启动；
DSP外围输出模块，通过12位数据线与地址总线与数字信号处理芯片DSP连接，采用并行传输方法，通过DSP地址总线选择输出端口，将数字量转换为模拟量；
USB通讯模块，与数字信号处理芯片DSP连接，实现混沌系统离散化算法程序的下载与计算所得数据的上传。
其中，DSP芯片内固化的混沌系统离散化算法中，需要将连续的三阶混沌系统离散化，所采用的方法为四阶Runge-Kutta算法，其中步长 
，
的初值为1，变量
的初值分别是。
所编写的算法中，连续系统被离散化后，在离散化的初始阶段，将
定义为浮点型变量，目的是为了保持运算的高精度，从而正确反映系统的真实特性。所采用的DSP为一款定点DSP，因此为了提高系统实时性，减少浮点运算的对于DSP处理能力的影响，本实用新型采用了一种简单的处理方法，即：在取整前将相应变量扩大20倍，然后再强制转换为整形，这样，既保证了可以满足对运算精度的要求，又保证了对运算实时性的要求。以变量
为例，即如表达式：
，所得新数组代表x变量的整型取值范围。
本实用新型的优点和有益效果：
本实用新型目的是解决现有技术中，使用模拟电路实现的系统混沌的动力学行为，因为混沌系统本身的初值敏感性，很容易受外界各种因素的影响，如电路器件工作温度，电压、电流不稳定等，容易使混沌系统的工作状态发生变化，使系统由混沌状态变为周期状态的问题，本实用新型提供一种基于DSP的三维混沌信号数字发生器，所以其产生的混沌信号是由运算得出不受外界各种因素的影响，并且可以方便快捷地产生不同三维数字混沌信号，节省了搭建、焊接不同参数的三维混沌电路所耗费的时间，省时高效。
附图说明
图1是结构原理图。
图2是DSP功能模块。
图3是外围输出电路模块。
图4是DSP供电模块。
图5是USB通讯模块。
图6是复位电路模块。
图7是数模转换模块。
图8是算法流程图。
图9是Lorenz系统的x-z相位。
具体实施方式
本实用新型以一个三维混沌系统—Lorenz系统为例进行相关说明。
一、硬件组成分析及具体硬件的连接方式：
本装置主要包括：型号为TMS320F2812的DSP芯片，DAC7724数模转换芯片，其中DSP芯片内含固化的混沌系统离散化算法，该算法为在CCS2.0环境下所编写的C语言程序。用户针对所要得到的混沌系统，用C语言程序实现X、Y、Z的迭代关系，再将编译后的算法通过计算机下载到DSP中。在给定初值的情况下，DSP将运算结果输出至DAC7724，由其进行数模转换。模拟量输出分为X、Y、Z三个变量，任取两个量，可由示波器观察波形。
硬件组成的模块化结构如图1所示，其中DSP2812为核心芯片，用于进行相关程序的运算与数据存储，如图2所示为DSP功能部分的接线图。硬件组成的结构图中还包括辅助DSP工作的其他功能模块，包括：供电模块（Power）、存储器模块（Memory）和复位电路模块（Reset Circuit），DSP外围输出模块以及与电脑相连接的USB通讯模块。
DSP2812的内部存储空间足以储存满足产生数字混沌信号所需的数据，不再进行外围存储器扩展，为了保证DSP储存数据有效输出至数模转换模块，则需要连接外围输出接口电路围存储器扩展。所要说明的是，如图3所示。
对于任何一种芯片来说，供电模块不可或缺，有的固化在芯片之中，有的需要外围连接。我们根据DSP2812这款对于供电电压的要求，VDD=+1.9v,VDDIO=+3.3v,我们采取的是外围连接的方式， 并且对于供电模块进行更精确的稳压处理。供电模块如图4所示。
由于要在DSP中固化产生混沌系统的算法，所以要采用USB通讯方式来达到DSP与微型计算机通讯的目的，以便有效进行程序的下载与数据的上传。使用CY7C68001其中数据传送口与DSP的数据总线连接，并将其转化为串行数据通过USB接口与微型计算机USB端口相连。USB通讯模块如图5所示
其中DSP的复位电路是为了保证DSP处于一种已知的、对内部各部件和外部引脚安全的、利于进入运行模式的初始状态。复位信号由DSP提供，复位撤销时，DSP进入正常工作状态。相关电路参数如图6所示。
DAC7724是数模转换模块的核心芯片，它起到承上启下的作用，系统正常工作时，DSP将十二位的数据送至DAC7724,同时DSP的地址线通过地址译码，片选到DAC7724使其工作，进行数模转换。通过程序设计，使每次DSP送出数据的间隔大于DAC7724数模转换的时间，并且该数模转换芯片为4通道12位双缓冲的DAC，即使在程序中不做延时处理,也能保证每次转换的可靠完成，如图7所示。
二、软件部分的具体编程方式：
不同的三维连续混沌系统，都存在与之相对应的数学模型，即可被一组微分方程表示。对于DSP实际所处理的实际数据来讲，我们要将其离散化，使连续的函数图像转化为由点组成的形式。我们选用较为精确的四阶Runge-Kutta法解微分方程组。下式为四阶Runge-Kutta法的一般形式：
对于所实现的三维Lorenz混沌系统，步长
，n的初值为1，变量x,y,z的初值分别是
，利用循环迭代的方法依次求得x,y,z各变量序列数值。从算法本身来讲，我们在离散化的初始阶段，将
定义为浮点型变量，目的是为了保持运算的高精度，从而准确反映系统的混沌特性。为了解决整型输入的问题我们采取了将所得的浮点型强制转换成整型，考虑到取整后对于精度的影响，我们在取整前将相应变量扩大20倍，以变量x为例，即如表达式：
，所得新数组代表x变量的整型取值范围，算法流程图如图8所示。
由DAC7724所选取的VREFL不同，所输出的电压范围也不尽相同。如果选取0V作为参考低电压，则输出不能分辨正负，因为输入为12位二进制数，所以将所得变量范围整体向该变量的正方向移动
，使输入取正，以变量x为例，
。我们将做好的系数表送到DAC7724，进行数模转换，即，继而由DAC7724输出x,y,z。
通过硬件多个模块与固化于DSP芯片的混沌系统离散化算法的组合与控制，组成了本实用新型所介绍的三维数字混沌信号发生器，所得数字混沌x-z相图如图9所示。
Claims (1)
1.一种基于DSP的三维数字混沌信号发生器，其特征在于该混沌信号发生器包括：
数字信号处理芯片DSP：用于进行相关程序的运算与数据存储；
数模转换芯片：与数字信号处理芯片DSP连接，用于将DSP输出的运算结果进行数模转换，并将转换后的模拟量输出；
供电模块：与数字信号处理芯片DSP连接，用于向DSP提供电源；
存储器模块：通过数据总线与数字信号处理芯片DSP连接，用于储存DSP计算所得三阶混沌系统的离散化后的点坐标；
复位电路模块：与数字信号处理芯片DSP连接，用于当DSP工作异常时重新启动；
DSP外围输出模块：通过12位数据线和地址总线与数字信号处理芯片DSP连接；
USB通讯模块：与数字信号处理芯片DSP连接。
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