趙小磊,馬　珺

(太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030024)

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基于LabVIEW的混沌信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)*

趙小磊,馬珺*

(太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030024)

摘要:介紹了一種新的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)Colpitts混沌信號(hào)的產(chǎn)生,該系統(tǒng)是基于虛擬儀器平臺(tái)并結(jié)合MATLAB計(jì)算模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)Colpitts混沌信號(hào)的產(chǎn)生,同時(shí)對(duì)混沌信號(hào)的自相關(guān)和功率譜進(jìn)行分析。并通過USB-6009采集模塊外擴(kuò)高速DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)芯片AD5405實(shí)現(xiàn)對(duì)Colpitts混沌信號(hào)的單通道輸出。系統(tǒng)可根據(jù)用戶的需求調(diào)節(jié)參數(shù),實(shí)現(xiàn)不同頻率混沌信號(hào)的產(chǎn)生。結(jié)果證明,該發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,操作方便,運(yùn)行穩(wěn)定可靠,有一定參考和實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞:Colpitts混沌;LabVIEW;MATLAB;采集模塊;自相關(guān)

對(duì)混沌科學(xué)的研究已經(jīng)從理論研究和控制混沌發(fā)展到怎樣有效的利用混沌。而Colpitts混沌信號(hào)是最近的一個(gè)研究熱點(diǎn)[1],目前對(duì)Colpitts混沌信號(hào)的研究主要在以下幾個(gè)方面:Colpitts電路和蔡氏電路的內(nèi)在聯(lián)系;通過研究電路微分方程的特征值來分析電路可能工作的狀態(tài);對(duì)Colpitts混沌信號(hào)的微分方程的參數(shù)關(guān)系進(jìn)行分析;對(duì)Colpitts信號(hào)的非線性機(jī)理的研究,對(duì)信號(hào)進(jìn)行混沌分叉分析?；贑olpitts電路板產(chǎn)生的混沌信號(hào)的不穩(wěn)定性,且調(diào)試方法比較繁瑣,再加上混沌電路中的寄生電容的影響等缺點(diǎn)。本文利用LabVIEW產(chǎn)生的Colpitts混沌信號(hào)來克服以上缺點(diǎn)。

隨著現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的發(fā)展,虛擬儀器技術(shù)已經(jīng)成為設(shè)計(jì)復(fù)雜測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試儀器的主要方法和手段。文獻(xiàn)[2]利用虛擬儀器平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)Lorenz混沌信號(hào)發(fā)生器。而文獻(xiàn)[3-4]主要是對(duì)Colpitts混沌電路的研究與仿真。本文利用LabVIEW產(chǎn)生的Colpitts混沌信號(hào),不僅克服了電路板的三極管的寄生電容的影響和調(diào)試繁瑣的缺點(diǎn),而且可視化強(qiáng),能夠直觀的觀察到混沌信號(hào)的動(dòng)態(tài)畫面,并能在同一個(gè)界面上對(duì)混沌信號(hào)進(jìn)行自相關(guān)和功率譜分析。而且能夠根據(jù)需要來調(diào)節(jié)參數(shù)產(chǎn)生不同頻率的信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)產(chǎn)生的混沌信號(hào)更適合作為探物雷達(dá)的信號(hào)源,增強(qiáng)了探地雷達(dá)的穩(wěn)定性。

1　混沌信號(hào)原理

混沌石非線性動(dòng)力系統(tǒng)所特有的一種運(yùn)動(dòng)形式[6],并廣泛的存在于自然界,是一類內(nèi)在確定外在類似隨機(jī)性的特殊信號(hào)。最常見的混沌信號(hào)有杜芬混沌信號(hào)、Lorenz混沌信號(hào)、以及Colpitts混沌信號(hào)。其中Colpitts混沌信號(hào)是一種典型的類正弦震蕩電路混沌信號(hào)[7],在一定的電路參數(shù)條件下可以實(shí)現(xiàn)混沌震蕩生成一個(gè)單渦卷混沌吸引子。由于Colpitts震蕩器電路的系統(tǒng)代數(shù)方程較為簡(jiǎn)單,且方程中只含有一項(xiàng)非線性指數(shù)項(xiàng),因此,在此模型上能實(shí)現(xiàn)新的有著重要的理論和工程應(yīng)用價(jià)值的多渦卷混沌系統(tǒng)。

Colpitts混沌系統(tǒng)的歸一化狀態(tài)方程如下:

(1)

其中,n(x2)=exp(-x2)-1。在式(1)所表征的混沌系統(tǒng)中,狀態(tài)變量的混沌特征性僅與g*Q有關(guān),K只是改變狀態(tài)變量的幅度,而不會(huì)引起混沌系統(tǒng)所處的狀態(tài)(混沌,平衡點(diǎn)等)的變化。因此要使系統(tǒng)(1)處于混沌狀態(tài)需要選擇合適的g*,Q的值。

設(shè)計(jì)Colpitts電路使其產(chǎn)生的混沌信號(hào)頻率帶寬分別為100MHz、500MHz和1GHz的系統(tǒng)的歸一化狀態(tài)方程的參數(shù)合適的參數(shù)值,現(xiàn)在以混沌信號(hào)帶寬為100MHz為例,設(shè)定其方程的參數(shù)分別為:g*取值為16.53,Q為1.786為方便起見選取K為0.5。其在MATLAB中仿真產(chǎn)生的時(shí)序圖和相圖如圖1所示。

圖1　Colpitts混沌信號(hào)的時(shí)序圖和相圖

2　基于虛擬儀器的Colpitts混沌信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

混沌信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)主要包括3部分:LabVIEW接口模塊,MATLAB算法模塊,AD采集模塊。系統(tǒng)的流程框圖如圖2所示。因?yàn)長(zhǎng)abVIEW調(diào)用MATLAB程序是通過MATLAB Script節(jié)點(diǎn)[11]實(shí)現(xiàn)的,由于MATLAB Script節(jié)點(diǎn)是通過ActiveX控件與MATLAB Server進(jìn)行通信的[5]。因?yàn)長(zhǎng)abVIEW與MATLAB都支持ActiveX技術(shù)[12],實(shí)質(zhì)上是將MATLAB看作一個(gè)ActiveX服務(wù)器,建立ActiveX通道,將LabVIEW的函數(shù)或者命令通過ActiveX通道發(fā)給MATLAB,并由MATLAB在后臺(tái)執(zhí)行[9]。AD采集模塊采用NI公司的USB-6009采集卡外擴(kuò)高速DAC芯片AD5405對(duì)信號(hào)采集和數(shù)模轉(zhuǎn)換。

系統(tǒng)工作流程:將MATALB混沌方程的算法子模塊放置到LabViEW默認(rèn)路徑下,再LabVIEW的MATLAB Script節(jié)點(diǎn)中編輯混沌方程的計(jì)算模塊,并對(duì)混沌信號(hào)進(jìn)行自相關(guān)和功率譜分析編程,運(yùn)行LabVIEW,產(chǎn)生的混沌信號(hào)將會(huì)在LabVIEW波形窗口中顯示,并將該信號(hào)通過AD采集模塊輸出。

圖2　系統(tǒng)流程圖

2.1USB-6009采集卡和DAC芯片AD5405的選取

NI USB-6009提供8個(gè)模擬輸入(Al)通道、2個(gè)模擬輸出(AO)通道、12個(gè)數(shù)字輸入/輸出(DIO)通道以及一個(gè)帶全速USB接口的32位計(jì)算器。Al分辨率為14位查分,13位單端,最大Al采樣率,單個(gè)通道為48 ksample/s,多各通道48 ksample/s.其價(jià)格低廉,采樣速率可以滿足需求。

AD5405是一款雙通道、CMOS、12 bit、電流輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。它的特點(diǎn)是:快速并行接口寫入周期為58 Msample/s;40引腳LFCSP封裝;保證單調(diào)性;上電復(fù)位;回讀功能。AD5405的建立時(shí)間為80ns.能夠滿足要求。

由于USB-6009的DAC輸出最高頻率只能達(dá)到150 Hz;不能滿足混沌信號(hào)的輸出要求。本文在USB-6009采集模塊的DIO線上外擴(kuò)一個(gè)AD5405芯片,其外擴(kuò)原理圖如圖3所示。將USB-6009采集卡的12 bit DIO數(shù)字輸出端接到AD5405數(shù)據(jù)輸出端,將混沌信號(hào)輸出。

圖3　外擴(kuò)AD5405原理圖

2.2Colpitts混沌信號(hào)的程序設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將MATLAB中編輯好的Colpitts混沌信號(hào)的計(jì)算模塊調(diào)入到Labview中的MATLAB Script腳文本中,將Colpitts混沌信號(hào)的MATTLAB算子模塊放到LabVIEW默認(rèn)路徑下,并作相應(yīng)的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換。其在LabVIEW中的程序框圖如圖4所示,在程序框圖中將X,Y,Z作為輸出變量,并把X,Y,Z兩兩相互捆綁成簇,該簇輸出的變量就是Colpitts混沌信號(hào)的相圖。

圖4　Colpitts混沌信號(hào)的程序框

該信號(hào)發(fā)生器的前面板如圖5所示,在圖5中的3個(gè)波形圖,分別是X時(shí)序圖、Y時(shí)序圖、Z時(shí)序圖。3個(gè)XY波形圖,分別是XY相圖、YZ相圖、XZ相圖。從波形圖中可以看出生成的信號(hào)的波形是個(gè)周期的波形,從3個(gè)相圖中可以看出,分別是3個(gè)不同的吸引子,因此可以說明產(chǎn)生的信號(hào)是個(gè)混沌信號(hào)。

圖5　Colpitts混沌信號(hào)的發(fā)生器的前面板

將在MATALB模塊中產(chǎn)生的變量X、Y、Z的數(shù)據(jù)通過移位寄存器轉(zhuǎn)換到DAC模塊[8](如圖6所示)來獲得一個(gè)連續(xù)的混沌信號(hào)。為了避免信號(hào)超過采集卡的量程和使信號(hào)能夠示波器上正常顯示,要對(duì)信號(hào)進(jìn)行歸一化處理使其保持在-1和1之間,然后再乘以幅值范圍在0～10之間的幅值,然后在其之間選擇合適的二三個(gè)信號(hào),最后把信號(hào)的頻率和相位寫入AD5405芯片中。

圖6　Colpitts混沌信號(hào)的DAC模塊

安裝NI公司的USB-6009數(shù)據(jù)采集卡并設(shè)置參數(shù),并按照AD5405外擴(kuò)原理圖連接采集卡和制作好的電路板,并把電路板與安捷倫的示波器連接,運(yùn)行程序,產(chǎn)生的信號(hào)如圖7所示。

圖7　數(shù)據(jù)采集實(shí)物圖

2.3信號(hào)的相關(guān)分和功率譜分析

相關(guān)分析和功率譜分析分別是在時(shí)域和頻域分析各種隨機(jī)信號(hào)特征參數(shù)分布規(guī)律的重要方法[10]。信號(hào)的相關(guān)性是反應(yīng)信號(hào)波形相互聯(lián)系緊密性的一種函數(shù)。相關(guān)分析分為自相關(guān)分析和互相關(guān)分析。自相關(guān)是信號(hào)的某一時(shí)刻的瞬時(shí)值與另一時(shí)刻的瞬時(shí)值之間的相互依賴關(guān)系。由于自相關(guān)函數(shù)描述的是某一信號(hào)波形與它時(shí)移后的波形的相似程度,然而,不同類型的信號(hào),他們的自相相關(guān)函數(shù)的特性是不相同的,如:周期性信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)仍為周期性函數(shù)。因此,判斷一個(gè)連續(xù)性隨機(jī)信號(hào)是否含有周期性函數(shù)成分,通過觀察信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)波形上的信號(hào)的特征進(jìn)行判斷。這一特點(diǎn)對(duì)我們判斷我們產(chǎn)生的信號(hào)是否為混沌信號(hào)有著重要的意義。而自功率譜描述信號(hào)的功率沿頻率軸的分布,即信號(hào)功率隨頻率變化的分布關(guān)系。

以圖5中的X,Y,Z任意一個(gè)變量作為功率譜和自相關(guān)函數(shù)的變量,對(duì)Colpitts電混沌信號(hào)的自相關(guān)和功率譜分析的程序圖如圖8所示。

圖8　collpitts混沌信號(hào)的自相關(guān)和功率譜分析程序圖

圖9是為Colpitts的自相關(guān)和功率譜圖。從函數(shù)的自相關(guān)圖形上可以得出函數(shù)的自相關(guān)系數(shù)為1,說明產(chǎn)生該信號(hào)的相關(guān)程度好。從自相關(guān)圖中看出信號(hào)無周期,旁瓣比較低,從而可以說明產(chǎn)生的信號(hào)比較好。從函數(shù)的自功率譜可以看出,信號(hào)的功率在頻率為100 MHz左右衰減比較大,以后就比較平滑,可以說明產(chǎn)生的信號(hào)的頻率為100 MHz。

圖9　Colpitts混沌信號(hào)的自相關(guān)和功率譜圖

3　結(jié)論

本文提出了一種新的產(chǎn)生colpitts混沌信號(hào)的方法,即利用虛擬儀器平臺(tái)調(diào)用MATLAB計(jì)算模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)Colpitts混沌信號(hào)的產(chǎn)生,并通過USB-6009采集卡外擴(kuò)DAC芯片AD5405把信號(hào)輸出。實(shí)驗(yàn)證明,虛擬儀器技術(shù)是設(shè)計(jì)colpitts混沌信號(hào)發(fā)生的一種可行的方法。這種混沌信號(hào)發(fā)生器的優(yōu)點(diǎn)有:根據(jù)用戶的需要可以生成不同頻率的信號(hào),直觀性強(qiáng),容易實(shí)現(xiàn),與制成的電路板相比它的穩(wěn)定性強(qiáng)且操作簡(jiǎn)單,同時(shí)提供了一種研究非線性動(dòng)力學(xué)的一種新的途徑。由于該系統(tǒng)主要是通過虛擬儀器平臺(tái)來調(diào)用MATLAB程序,因此其時(shí)效性不太令人滿意,我們將來將會(huì)想辦法解決這個(gè)問題。

參考文獻(xiàn):

[1]史治國(guó).微波混沌電路及其在通信中的應(yīng)用[D].杭州:浙江大學(xué),2006.

[2]柳平,黃耀龍.基于LabVIEW技術(shù)的混沌信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)[C]//2009年全國(guó)微波毫米波會(huì)議論文集(下冊(cè)).2009.

[3]Jiang T,Qiao S,Shi Z G,et al.Simulation and Experimental Evaluation of the Radar Signal Performance of Chaotic Signals Generated from a Microwave Colpitts Oscillator[J].Progress in Electromagnetics Research,2009,90:15-30.

[4]Jiang T,Long J,Wang Z,et al.Experimental Investigation of a Direct Chaotic Signal Radar with Colpitts Oscillator[J].Journal of Electromagnetic Waves and Applications,2010,24(8-9):1229-1239.

[5]宋揚(yáng)潔.基于LabVIEW與MATLAB的語言信號(hào)的采集與分析[D].武漢:武漢理工大學(xué),2012.

[6]王云才,錢建軍.激光混沌信號(hào)相關(guān)法測(cè)距研究[J].深圳大學(xué)學(xué)報(bào)(理工版),2010(4):379-385.

[7]鄭皓洲,胡進(jìn)峰,何子述.基于Colpitts混沌系統(tǒng)的新型測(cè)距算法研究[J].中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào),2010,5(5):527-531.

[8]Zuo J,Wang G,Bao X.Design and Implementation of a Fractional Chaos Generator Based on Virtual Instrument Technology[C]//Communication Technology,2008.ICCT 2008.11th IEEE International Conference on IEEE,2008:490-493.

[9]唐建鋒,羅湘南.基于LabVIEW與MATLAB混合編程的虛擬儀器設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].湖南文理學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,16(1):66-67.

[10]林湘寧,劉沛,楊春明,等.基于相關(guān)分析的故障序分量選相元件[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2002,22(5):16-21.

[11]Chaos D,Chacón J,Lopez-Orozco J A,et al.Virtual and Remote Robotic Laboratory Using EJS,MATLAB and LabVIEW[J].Sensors,2013,13(2):2595-2612.

[12]張華,鄭賓,武曉棟.基于LabVIEW的溫度測(cè)試系統(tǒng)[J].電子器件,2013,36(2):243-246.

馬珺(1980-),女,漢族,山西忻州人,副教授,太原理工大學(xué)博士,主要從事新型傳感器和探地混沌雷達(dá)系統(tǒng)的研究,491903319@qq.com;

趙小磊(1987-)男,漢族,河南商丘人,太原理工大學(xué)碩士,主要從事基于虛擬儀器的混沌雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì),zhaohualei2006@126.com。

DesignoftheChaoticSignalGeneratorBasedonLabVIEW*

ZHAOXiaolei,MAJun*

(Key Lab of Advanced Transducers and Intelligent Control System,Ministry of Education,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)

Abstract:We introduces a new method that can achieve the generation of Colpitts chaotic signal The system is based on virtual instrument platform and combined with MATLAB calculation to achieve the generation of Colpitts chaotic signal and make analyse with autocorrelation and power spectrum at the same time.Signal channel output of chaotic signal was realized through USB-6009 acquisition module extending DA5405 high-speed DAC(Digital-to-Analog Converter)chip.This system can adjust parameters according to users demand to achieve different frequency chaotic signal generation.The results demonstrate that the generator has simple structure,convenient operation,stable and reliable running,so it has some reference and practical value.

Key words:Colpitts chaotic circuit;LabVIEW;MATLAB;acquisition module;autocorrelation

doi:EEACC:7250E10.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.011

中圖分類號(hào):TN702

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005-9490(2014)04-0631-04

收稿日期:2013-08-01修改日期:2013-09-11

項(xiàng)目來源:教育部科技研究重點(diǎn)項(xiàng)目(210270);山西省青年科技研究基金項(xiàng)目(2012021013-2)