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文档简介

摘要 随着计算机技术的发展和普及,数据安全越来越受到人们的重视,几乎所有 的密码系统都需要不可预测的密钥进行加密,因此,如何快速得到真萨的随机数 成为当前人们迫切解决的问题。 核衰变信号是自然界的真随机源,由核衰变得到的序列虽然是真随机序列但 却不能满足均匀性和独立性要求。因此必须利用软件的方式加以优化。本文采用 与伪随机序列异或方式对其进行优化。为了最大限度利用所得真随机数,笔者用 v b 开发了远程访问真随机源且能嵌入w e b 使用的控件。 本设计的关键技术在于核衰变信号的引入和获取及对输出的随机序列进行均 匀性和独立性的处理,以及可以远程访问真随机源且能嵌入w e b 使用的控件设计。 本文解决该课体主要做以下几个方面介绍: 第一章:介绍了利用l a b v l e w 软件开发虚拟仪器的基本方法以及相关开发技 术。 第二章:介绍数据采集的相关概念与技术及如何利用l a b v i e w 软件进行数据采 集。 第三章:介绍随机数在信息安全中的应用,重点介绍密码学的相关技术。 第四章:介绍基于核衰变的真随机数发生器的设计。详细介绍了系统的工作 原理,并对所得结果进行均匀性和独立性的验证。 第五章:介绍验证码生成器开发。详细介绍了d a t a s o c k e t 和a c t i v e x 技术,以 及基于a c ti v e x 技术的v i 网络化方案开发。 关键词:真随机数;l a b v l e w ;a c t i v e x a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rt e c h n o l e g y , d a t as a f e t yi sm o r ea n dm o r e i m p o r t a n tt ou s a l m o s ta l l c o d es y s t e mr e q u i r eu n p r e d i c t a b l ek e yt o e n c r y p t d a t a ,t h e r e f o r eh o wt oa c q u i r et r u er a n d o mn u m b e rb e c o m eau r g e n tp r o b l e mt o p e o p l e n u c l e a rd i s i n t e g r a t i o ns i g n a li st h en a t u r a ls o u r c eo ft h et r u er a n d o mn u m b e r ,t h e t r u er a n d o ms e q u e n c ea c q u i r e df o r mn u c l e a rd i s i n t e g r a t i o ni st h et r u er a n d o m s e q u e n c e ,b u ti tc a n ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n to ft h ee q u a l i t ya n di n d e p e n d e n c et ot h e r a n d o mn u m b e r s ow en e e dt oo p t i m i z ei tb ys o f t w a r e t h ea r t i c l ea d o p t st h em e t h o d t oo p t i m i z et h a tl e tt h et r u er a n d o ms e q u e n c ew i t ht h ep s e u d or a n d o ms e q u e n c e ,i n o r d e rt ou s et h er a n d o mn u m b e ra c q u i r e df u r t h e s t ,t h ea u t h o rd e s i g n sac o n t r o lb yt h e v bs o f t w a r ew h i c hc a na c c e s st h ed a t ai nal o n g - d i s t a n c es i t u a t i o na n dc a nb e i m b e d d e di naw e b t h ek e yt e c h n o l o g yo ft h ed e s i g ni si n t r o d u c t i o na n da c q u i s i t i o no fn u c l e a r d i s i n t e g r a t i o ns i g n a l ,t h eo p t i m i z a t i o nt ot h er a n d o ms e q u e n c ea n dt h ed e s i g no ft h e c o n t r o lw h i c hc a na c c e s st h ed a t ai na l o n g d i s t a n c es i t u a t i o na n dc a nb ei m b e d d e di n aw e b i tw i l lb ed i s c u s s e di nt h i sp a p e rf r o ms e v e r a ls i d e s t h et h e s i sh a sf o u rc h a p t e r s : c h a p t e r1i n t r o d u c e st h em e t h o d sd e s i g n i n gv i r t u a li n s t r u m e n tb yl a b v i e wa n d t h et e c h n o l o g yr e l a t e dt ot h ed e s i g n c h a p t e r2i n t r o d u c e st h ec o n c e p ta n dt e c h n o l o g yr e l a t e dt ot h ed a t aa c q u i s i t i o n a n dh o wt ou s et h el a b v i e ws o f t w a r et oa c q u i r i n g c h a p t e r3i n t r o d u c e st h ea p p l i c a t i o no fr a n d o mn u m b e ri ni n f o r m a t i o ns a f e t y , s p e c i a l l yi n t r o d u c e st h et e c h n o l o g yr e l a t e dt ot h ec r y p t o l o g y c h a p t e r4i n t r o d u c e sh o w t od e s i g nt h et r u er a n d o mn u m b e rg e n e r a t o rb a s e do n t h en u c l e a rd e c a y , t h et h e o r yo fs y s t e ma n dc o n f i r mt h ee q u a l i t ya n di n d e p e n d e n c et o t h er a n d o mn u m b e r c h a p t e r5i n t r o d u c e s t h ed e s i g no ft h ei d e n t i f i c a t i o nc o d eg e n e r a t o r , t h e t e c h n o l o g yo fd a t a s o c k e ta n da c t i v e xa n dt h ed e s i g no ft h ei n t e r n e tv ib a s e do nt h e a c t i v e x k e y w o r d :t r u er a n d o mn u m b e r ;l a b v i e w ;a c t i v e x 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文,是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果,均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文而产生的权 利和责任。 声明人( 签名) :逊斟缈各 砂岛年彤曰 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大学有权保 留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电子版,有权将学位论 文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅,有权将学位 论文的内容编入有关数据库进行检索,有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。 保密的学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 1 保密( ) ,在年解密后适用本授权书。 2 不保密 ( 请在以上相应括号内打“4 ”) 作者签名:庵潞坞日期:汕丫年 月3 日 导师 日期:纱一年厂功 硕l :论文基十核衰变的真随机数发生器设汁厦门人学 引言 随着计算机、i n t e r n e t 网络技术的飞速发展,人类社会j 下在由工业化社会 向信息化社会迈进。在信息社会里,信息安全越来越受到人们的关注,几乎所有 的密码系统都需要不可预测的密钥进行加密,相当多的网站需要有随机的验证码 来防御攻击,这些都需要有良好的随机数为它们的安全提供保障。 随机数容易产生,但要在计算机上产生真正的随机数却并不容易。但真正的 随机数是不可能通过具体的算法生成的,否则,生成的随机数序列就不是随机的。 任何试图以算法生成随机数的人都将处在一种二难的境地。因此,真正的随机数 序列应该是从各种物理的随机事件中提炼出来的,而不能通过某个具体的算法计 算得到。从上述的论述中可以看出,真正的随机数序列只能来源于随机事件,要 产生真随机数,只能借助于自然的力量,本文以核衰变信号做为随机源,是真正 可靠的随机源。 在这方面的研究中,有人利用物理噪声源u 1 。遗憾的是,真f 的物理噪声源 难以获得也难以在信息系统中直接使用,经过电路模拟之后的噪声源产生的随机 数虽然与自然界的随机数相当接近,却终归不是真随机数。这方面国外还有一些 例子:n s a ( n a t i o n a ls e c u r i t y a g e n c y , 中文简称美国国安局或者国安局) 在其硬 件电路中使用电子干扰二极管,生成随机数;有些系统在磁盘驱动器中使用空气 紊流或者是表面上的、连续网络信息包的随机到达时。在我国,现有的w n g 系 列随机数发生器芯片依照转币模型生成,是做得比较成功的物理噪声源芯片。 在数据采集处理方面,本文采用n i 公司的p c i - 6 0 1 4 数据采集卡采集数据, p c i 一6 0 1 4 是n i 公司推出的一款基于p c i 接口,功能强大的,即插既用的数据采 集卡。以l a b v l e w 软件作为丌发平台。l a b v i e w 是n i 推出的虚拟仪器丌发平台 软件,以其直观简便的编程方式、众多的源码级的设备驱动程序、多种多样的分 析和表达功能支持,为用户快捷地构筑自己在实际生产中所需要的仪器系统创造 了基础条件。l a b v i e w 采用图形化编程语言g 语言,产生的程序是框图的形式, 易学易用,特别适合硬件工程师、实验室技术人员、生产线工艺技术人员的学习 和使用,可在很短的时间内掌握并应用到实践中去。特别是对于熟悉仪器结构和 硬件电路的硬件工程师、现场工程技术人员及测试技术人员来说,编程就像设计 硕 :论文缺于核衰变的真随机数发生器设计厦门人学 电路图一样;因此,硬件工程师、现场工程技术人员及测试技术人员们学习 l a b v i e w 驾轻就熟,在很短的时间内就能够学会并应用l a b v i e w 。也不必去记 忆那眼花缭乱的文本式程序代码。 在这个网络时代,随机数的应用十分广泛,我们同常的网站都要有随机验证 码来防御攻击,然而几乎所有的验证码生成器都是采用数学算法生成伪随机数, 经过一定处理而得到验证码。也就是说所得的验证码不是真正的随机数,容易被 破解,安全系数不高。为此,本文设计了一种基于真随机源的验证码生成器,其 随机数来源于核衰变信号。 验证码生成器必须能够嵌入一般的w e b 网页中使用,而l a b v i e w 软件没办法 实现此功能,于是我们考虑引入a c t i v e x 技术,因为a c t i v e x 的控件在完成虚拟 仪器的网络化等方面有巨大的优越性,a c t i v e x 控件能与w e b 浏览器结合在一起, 执行速度快,可以用多种语言实现,能复用原有软件的源代码,从而提高了软件 开发效率。它能快速开发出高效、简便的代码为c o m 组件的开发提供最大限度的 代码自动生成以及可视化支持。 硕i ! 论文基于核衰变的真随机数发生器设计 厦门人学 第一章l a b v ie w 开发平台概述 1 1 、基本概念l 列 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n g ) 是一种图形化的 编程语言,它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受,视为一个标准的数 据采集和仪器控制软件。l a b v i e w 集成了与满足g p i b 、v x i 、r s 一2 3 2 和r s - 4 8 5 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用t c p i p 、 a c t i v e x 等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方 便地建立自己的虚拟仪器,其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。 图形化的程序语言,又称为“g 语言。使用这种语言编程时,基本上不写 程序代码,取而代之的是流程图或流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、 工程师所熟悉的术语、图标和概念,因此,l a b v i e w 是一个面向最终用户的工具。 它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力,提供了实现仪器编程和数据采 集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时,可以 大大提高工作效率。 所有的l a b v i e w 应用程序,即虚拟仪器( v i ) ,它包括前面板、程序框图以 及图标连结器三部分。 1 前面板刈 前面板是图形用户界面,也就是v i 的虚拟仪器面板,这一界面上有用户输 入和显示输出两类对象,具体表现有丌关、旋钮、图形以及其他控制( c o n t r 0 1 ) 和显示对象( i n d i c a t o r ) 。图1 1 所示是一个随机信号发生和显示的简单v i 是 它的前面板,上面有一个显示对象,以曲线的方式显示了所产生的一系列随机数。 还有一个控制对象开关,可以启动和停止工作。显然,并非简单地画两个控 件就可以运行,在前面板后还有一个与之配套的程序框图。 硕l 论立肚r 幢衰变的真鼬机散发生器设计 厘门人学 图i 1 前面板 2 程序框图”1 程序框图提供v i 的图形化源程序。在程序框图中对v i 编程,以控制和操纵 定义在前面板上的输入和输出功能。流程图中包括前面板上的控件的连线端子, 还有一些前面板上没有,但编程必须有的东西,例如函数、结构和连线等。图 i 2 是与图l1 对应的流程图。我们可以看到流程图中包括了前面板上的开关和 随机数显示器的连线端子,还有一个随机数发生器的函数及程序的循环结构。随 机数发生器通过连线将产生的随机信号送到显示控件,为了使它持续工作下去, 设置了一个w h i l el o o p 循环,由开关控制这一循环。 埘l 论空蛙f 梭衰变的真触帆数发# 世计艇门人学 田 图1 2 程序框图 如果将v i 与标准仪器相比较,那么前面板上的东西就是仪器面板上的东西, 而流程图上的东西相当于仪器箱内的东西。在许多情况下,使用v i 可以仿真标 准仪器,不仅在屏幕上出现一个惟妙惟肖的标准仪器面板,而且其功能也与标准 仪器相差无几。 3 图标连接器 图标和连接器指定了数据流进流出v i 的路径。v i 具有层次化和模块化的特 性,既可以作为顶层程序,又可以作为其他程序的子v i 。图标可把v i 表示成子v i 以供其他程序调用而连接器则定义了v i 与调用它的程序数据交换的输入输出 端口。 1 2v l 程序设计和调试 1 ,程序设计旧 虚拟仪器的设计分为前面板设计和程序框图:前面板设计窗口用于完成虚拟 仪器前面板的设计;程序框图设计窗口完成虚拟仪器源代码的编写。 峨i 论女阜f 梭袁尘的寞触机数跛生器改汁 厦门人学 图1 3 前面板设计宙口 前面板设计窗口如图i 3 所示。在该窗口中,设计者可以利用工具模板中相应 的工具选择控制模板中的相关的控件和指示器,拖放到窗口中的适当位置,并设 置相应的标签。此时框图程序编辑窗口中会出现相应的前面板对象窗口图标。切 换到程序框图设计窗口( 如图l _ 4 ) ,利用工具模板中相应的工具选择功能横板上 相关的功能节点鬣于窗口中,使用连线工具将节点和端口连接,形成完整的框图 程序,接着使用图标编辑器创建和编辑用户自定义的图标,完成虚拟仪器的设计 工作。 砸上论史撼十棱窘盘的真鼬帆数发生镕世计 世门人学 图1 4 程序框图设计窗口 要将程序作为于v i ,还必须定义v i 的连接器,使输入与输出端口能够与外部 相连( 给控件和指示器指定连接器端子) ,同时创建闰标以代表该子v i 。 2 程序调试 l a b v i e w 提供多种调试v i 程序的手段:通过加亮执行、单步、断点和探针帮 助用户跟踪和观察经过v i 的数据流。 在运行v i 时,单击框图工具条中h i g h l i g h te x e c u t i o n 按钮可以动画演示框 图执行情况,再次单击将恢复正常运行状态。单步执行是按照节点之间的逻辑关 系,在数据连线上逐个节点的执s y v i 。设置断点则在工具面板上将鼠标切换至断 点工具状态,单击框图程序中需要设置断点的地方。当程序运行到该断点时自动 暂停。设置探针是在工具面板上将鼠标切换至探针工具状态,单击需要查看的数 据连线,v i 运行时若有数据流经该连线将弹出对话框显示。 1 3l a b v l 肼软件特点”1 l a b v i e w 软件具有丰富的功能,除了具有通俗易懂的圈形化编程方式以及完 整的调试工具外,还提供了丰富的数据采集、分析和存储的库函数;3 2 b i t 编译 器编译生成3 2 b i t 的编译程序,保证用户数据采集、溺4 试或测量方案的高速运行; 硕l j 论文 基f 核哀变的真随机数发生器设计厦门大学 l a b v i e w 包括了p c i 、g p i b 、p x i 、v x i 、r s 一2 3 2 4 8 5 、u s b 等各种仪器通信总线 标准的所有功能函数;提供大量与外部代码或软件进行链接的机制,诸如d l l ( 动 态连接库) 、d d e ( 共享库) 、a c t i v e x 等;具有强大的i n t e r n e t 功能,支持常用 的网络协议,方便网络、远程测控仪器的开发。以下具体介绍l a b v i e w 各种外部 接口和扩展以及它的网络通信方式。 1 l a b v i e w 外部接口”。 l a b v i e w 具有强大的外部接口能力,可以实现l a b v i e w 与外部的应用软件、 c 语言、w i n d o w sa p i 、m a t l a b 以及h i q 等编程语言之间的通信。在l a b v i e w 中 可以用的外部接口包括d e e 、c i n 、d l l 、m a t l a bs c r i p t 以及h i qs c r i p t 等。使 用这些接口,可以充分利用其他软件的功能,甚至可以实现对系统驱动程序的调 用,编写出功能强大的l a b v i e w 应用软件。 ( 1 ) 动态数据交换 动态数据交换( d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ,d d e ) 是w i n d o w s 操作系统中一种基 于消息的协议,用于在w i n d o w s 平台上的两个正在运行的应用程序之间动态交换 数据,是进程问通信的一种方法。d d e 使用共享内存来实现进程之间的数据交换, 并使用d d e 协议实现同步数据传递。d d e 协议是一组所有的d d e 应用程序都必须 遵循的规则集。利用d d e ,两个处于运行状态的程序之间可以相互发送或接收命 令及数据,分别称为客户程序和服务器程序。d d e 应用程序可以分为四种类型: 客户、服务器、客户服务器和监视器。客户程序向服务器程序请求数据或服务; 服务器程序响应客户程序的数据或服务请求;客户n 务器程序既是客户程序又 是服务器程序,它既可发出请求又可提供信息;监视器应用程序用于d d e 通信的 调试。网络中应用程序之间的d d e 通信,必须利用网络动态数据交换服务器 n e t d d es e r v e r 来实现。在l a b v i e w 中可以利用l a b v i e wd d ev i s 实现d d e 通信。 ( 2 ) 动态链接库 动态链接库( d y n a m i cli n kli b r a r y ,d l l ) 是基于w i n d o w s 程序设计的一个非 常重要的组成部分。动态链接库相对静态链接而言,所调用的函数代码没有被拷 贝到应用程序的可执行文件中,仅仅在其中加入了所调用函数的描述信息。仅当 应用程序被装入内存并开始运行时,在w i n d o w s 的管理下,在应用程序与相应的 d l l 之问建立链接关系。当要执行d l l 中的函数时,根据链接信息,w i n d o w s 转 硕i :论文桀十核衰变的真随机数发生器设计垣门人学 去执行d l l 中相应的函数代码。因此d l l 是位于应用程序外部的过程库,可以从 应用程序中调用,在运行时被动态链接,并且可以共享和重入。d l l 中封装了一 些可以被共享的例程和资源,还可以在d l l 中实现同驱动程序的通信。 l a b v i e w 提供了个调用库函数( c a l l1 i b r a r yf u n c t i o n ,c l f ) 节点,利用 c l f 节点,可以在l a b v i e w 中实现d l l 和a p i 函数的调用。c l f 节点位于l a b v i e w 功 能模板中的a d v a n c e d 子模板中。单击a d v a n c e d 子模板中c l f 节点的图标,将其放 至l a b v i e w 框图程序中,利用c l f 节点的配置对话框将d l l 载入,并根据载入的函 数原型设置参数及其类型,完成后即可从l a b v i e w 程序中调用d l l 函数实现不同 的功能10 | 。 ( 3 ) c 代码接口归1 代码接口( c o d ei n t e r f a c en o d e ,c i n ) 技术是在l a b v i e w 中调用c 源代码的通 用方法。c 语言是功能强大的语言,l a b v i e w 通过与c 语言接口,可以大大扩展 其整体功能。c i n 节点图标位于f u n c t i o n 模板中的a d v a n c e d 子模板内,在 l a b v i e w 环境中,可对这一节点自动生成一模板程序,用户在这一模板程序中添 加相应的源代码,然后在v c + + 的i d e 环境下生成1 s b 格式文件,接着在l a b v i e w 环境中将该i s b 文件载入c i n 节点,即完成具备某种功能的c l n 节点的生成工 作。接好c i n 节点的输入输出端子,当程序运行时,参数将从输入端子传给c 语 言程序处理,结果从输出端子回送给l a b v i e w 程序。 ( 4 ) m a t l a b 与h i q m a t l a b 是一个为科学和工程计算而专门设计的高级交互式软件包。m a t l a b 集成了各种领域的数据处理工具包,是一个可以完成各种计算和数据处理十分灵 活的、便于使用的工具。l a b v i e w 提供了m a t l a bs c r i p t 节点,可以在m a t l a b s c r i p t 节点中编辑i v l a t l a b 程序或直接调入已存在的m a t l a b 程序,并在l a b v i e w 中运行。h i q 是n i 公司开发的一种交互式工作平台,用以解决科学研究及工程 中的问题,h i q 提供了丰富的数据分析、可视化工具。l a b v i e w 提供了h i qs c r i p t 节点,通过h i qs c r i p t 节点可以方便地利用h i q 的功能。 2 网络通信n 们 l a b v i e w 具强大的网络通信功能,支持t c p i p 协议( 包括u d p ) 、d a t a s o c k e t 、 顾论就十棱衰变的真随机数发生器设计 城门大学 v ls e r v e r 和r e m o t ep a n e l s 等网络化技术方案。采用这些技术可以使得l a b v i e w 的用户比较容易编写出具有强大网络通信能力的l a b v i e w 应用软件。 ( 1 ) t c p i p t c p i p 协议是i n t e r n e t 最基本的协议,分为四层:链路层、网络层、传输 层和应用层。t c p 和u d p 都是t c p i p 传输层中的协议,统一使用i p 作为网络层 协议。t c p 提供面向连接的、可靠的传输层服务。面向连接是指在数据传输前就 建立好了点到点的连接。u d p 则是一个无连接模式协议,提供向另一用户程序发 送消息的晟简便的协议机制。与t c p 不同的是u d p 不提供包的分组和组装服务, 不提供对包的排序。这意味着u d p 提供的不是面向连接的、可靠的数据传输,而 是面向操作的、不可靠的数据流传输,应用程序必须确定信息是否完成正确的到 达目的。 ( 2 ) d a t a s o c k e t o a t a s o c k e t 是n i 公司推出的一项基于t c p i p 标准的新技术,面向测量和 网上实时高速数据交换,可用于一个计算机内或者网络中多个应用程序之间的数 据交换。目前t c p i p 、d d e 等多种用于两个应用程序间共享数据的技术不是用于 实时数据传输的,只有d a t a s o c k e t 是一项在测量和自动化应用中用于共享和发 布实时数据的技术,可以访问本地文件以及h t t p 和f t p 服务器上的数据。 c 1or 】 i cj 】”】i l 0 j o 川 l 圈e 燃e r i 团震罄i 圜懿l a p p l i c a t i o n 图1 sd a t a s o c k e t 的体系结构 o a t a s o c k e t 用类似于w e b 中的统一资源定位器( u r l ) 定位数据源,采用 o a t a s o c k e t 技术的测控系统,其客户端可以是w e b 浏览器、l a b w i n d o w c v i 以及 团 硕i j 论文基十核哀变的真随机数发生器设计 夏门人学 l a b v i e w 等。图1 5 描述了d a t a s o c k e t 的体系结构。l a b v i e w 中提供三个工具: d a t a s o c k e ta c t i v e x 控件用于开发共享数据应用程序、d a t a s o c k e t 服务器利用 d s t p 协议在应用程序问交换数据、d a t a s o c k e t 服务器管理程序是一个配置和管 理工具,具有负责确定d a t a s o c k e t 服务的最大连接数,实现设置服务控制等网 络管理功能。 ( 3 ) v i 跆r v e r v is e r v e r 是l a b v i e w 中支持v i 应用程序被远程调用的一种机制。通过v i s e r v e r ,我们可以远程动态上载或下载一个( 子) v 工,而无需像通常那样将其静态 的嵌入连接到主程序的框图中,这种方式称为“通过引用调用( c a l lb y r ef e r e n c e ) 。 ( 4 ) r e m o t ep a n e i s l a b v i e w8 2 集成了r e m o t ep a n e l ( 远程面板) 技术,用户可以以极简单的方 式直接在本地计算机上打开并操作位于远程服务器上v i 的前面板,甚至可以将 l a b v i e wv l s 的前面板窗口嵌入到一个网页中并在网页中直接操作 硕l j 论文基于核哀变的真随机数发生器设计厦门人学 第二章基于l a b vi 酬的数据采集 2 1 、数据采集技术。 数据采集技术( d a t aa c q u i s i t i o n ) 是信息科学的一个重要分支,它研究信息 数据的采集、存储、处理以及控制等作业。在智能仪器、信号处理以及工业自动 控制等领域,都存在着数据的测量与控制问题。将外部世界存在的温度、压力、 流量、位移以及角度等物理量应用非电量电测技术转换成电信号模拟量( a n a l o g s i g n a l ) ,然后再转换为数字信号( d i g i t a ls i g n a l ) ,再收集到计算机并进一步 予以处理、传输、显示与记录这一过程,即称为“数据采集。 数据采集技术已在雷达、通信、水声、遥感、地质勘探、振动工程、无损检 测、语声处理、智能仪器、工业自动控制以及生物医学工程等领域有着广泛的应 用。 科学技术的发展,已在速度、分辨率、精度、接口能力、软件设计以及抗干 扰能力等方面向现代数据采集技术提出了越来越高的要求。随着微电子技术与计 算机科学技术的发展,数据采集技术的应用领域也会更为广阔。 2 1 1 数据采集系统的典型结构1 2 1 数据采集系统一般有三部分组成。 1 数据采集器:包括多路开关m r ,测量放大器i a ,采样保持放大器s h a , 模数转换器a d c 等。将多个现场模拟信号逐个采样再量化成数字信号后送往计算 机。 2 微机接口电路:用来传送数据采集系统运行所需要的数据、状态信息以及 控信号。 3 数模转换器:将微机输出的数字信号再转换为模拟信号,以实现系统要求 的显示、记录与控制任务。 注:在许多场合中,多路开关m u x 之前或之后还要配置滤波、前置放大器等信号调 理电路( s i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t ) 2 1 2 采集控制方式 计算机与外部信息( 包括数据、状态与控制信息) 的传送是通过总线进行的。 如果整个信息传输过程在程序控制下进行,系统总线的控制权属于微处理器,称 硕l j 论文娃于核衰变的真随机数发生器设计厦门人学 为程序控制方式。一般又可进一步分为定时传送方式、询问传送方式和中断传送 方式。另一种信息传输过程是当外部设备向微处理器申请到系统总线的控制权 后,直接与存储器间进行数据的传输,这就是所谓直接存储器存取( d m a ) 方式。 每当一种外设与微处理机相连时,总是要首先确定采用哪一种输入与输出方式。 1 程序定时传送方式 这种方式又称同步传送、暂停传送或无条件传送。当输入设备总有数据给微 处理器,或微处理器总有数据给输出设备时,可以使用这种传送方式。此种方式 对外设的输入与输出是通过取数或存数指令直接进行读出或写入数据的操作时 间完全由程序安排决定。不必查询外设的状态,也无需控制信号的介入。这样数 据采集技术及数据采集卡要求的硬件与软件都很简单,在一些生产控制过程中, 对采样点的定时检测或对控制点的定时控制,一般可以采用这种方式。这种传送 方式是微处理器启动的。采用程序定时传送方式时应该注意,必须在己知而且确 信外部设备己准备好的情况下才能用,否则就会出错。此方案由于要求c p l 与外 设同步工作,因而使用时很不灵活。 2 程序询问( p o li e d ) 传送方式 这种传送方式又称为异步传送方式或条件传送方式,是微型机系统中常用的 一种输入输出控制方式。很多外部设备与微处理器传输数据的时间是随机的,每 当外设准备好发送或接收数据时,则建立一个状态标志。例如用一个触发器或寄 存器的某一位为“1 来做标记,微处理器则不断询问外设是否要求服务,微处 理器读取状态信息,然后根据状态标志是否为1 来判断外设是否准备好,程序流 程如图2 1 所示。 硕f j 论文 基十核衰变的真随机数发生器设计 厦门人学 否 图2 1 询问方式程序框图 微机系统中如果只有一台外设,采用程序询问方式是很方便的。微处理器或 处于询问等待状态,或在执行主要功能过程中穿插的询问该台外设是否要服务。 微机系统中,如果含有多台外设,微处理器将周期的询问每一台外设。可以将各 个外设的状态标志位线或连在一个公共检测线上。微处理器首先检测此线,有服 务要求时,再进一步去判断是哪一个外部设备要求服务。 询问方式的优点,在于相应要求的硬件少,软件也简单。特别是询问与执行 程序同步,确知为该外部设备服务需要的时间。这种方法的缺点,在于采用软件 询问常常浪费微处理器的时间,使其利用率下降,而且外设处于一个完全被动的 地位。当外设要求紧急服务时,微处理器一般不能及时响应,外部设备只能等待 微处理器顺序询问。但这种方式在微机系统任务比较单一,并不在乎微处理器利 用率场合,仍是可取的。特别对单用户来讲,询问方式仍然是一种简单适用的输 入输出方式。 3 程序中断传送方式刨 硕i :论文基十核衰变的真随机数发生器设计厦门人学 采用程序中断传送控制方式时,微处理器首先发出启动外设工作的命令,然 后继续执行主程序。在输入时,若外部设备准备输入微型机的数据已经存入接口 寄存器:而在输出时,若外部设备接口己把上一次由微型机送入的数据输出,接 口寄存器已经空闲,则由外部设备通过接口向微处理器发出中断申请。微处理器 响应此中断申请,暂停原执行的程序,转去中断服务程序执行输入或输出操作, 中断服务完成后微处理器再回来继续执行原来的程序。这样做可以大大提高微处 理器的效率并允许微处理器与多个外部设备同时并行工作。 目前一共有三种中断输入方式: ( i ) 单线中断请求:各外设中断请求线通过或门与微处理器相连。微处理器收 到中断请求后再用询问方式依次查找是哪一个外设要求服务。这种方式对要求中 断的外设数量无限制。但要求中断的外设数量越多,微处理器响应时所需的查询 时间越长,亦即中断响应时间也越长。 ( 2 ) 多线中断响应:微处理器备有多个中断请求输入线。微处理器响应中断 后可以立即找到提出中断请求的外部设备,这是一种速度最快的中断响应结构。 ( 3 ) 向量中断请求:当某一外部设备申请中断时( 可通过或门加到微处理器 上) ,同时要提供一个中断向量作为对自己的识别码,微处理器在响应此中断后, 既由数据总线上读数找出响应中断源。这是一个最为灵活的中断连接方式,但在 硬件及软件上均较为复杂。 4 直接存储存取( d m a ) 方式 d m a 可以认为是一种特殊的中断技术,其目的是为了提高外设与存储器之间 或外设与外设之间的数据传送速率。上面的三种传送数据的方法,均要求数据经 过微处理器中的累加器或其他存储器,因此数据传送速率较慢。采用d m a 法,可 以使数据传送直接由d m a 控制,而使微处理器与存储器及i o 端口脱开:也即微处 理器把总线让出来,由d m a 控制器接管。d m a 工作方式流程如图2 2 所示: 硕卜论文綦于核衰变的真随机数发生器设计厦门人学 图2 2d m a 流程图 ( 1 ) 向微处理器发出总线请求b u s r q 信号; ( 2 ) 收到微处理器发出的总线响应b u s a k 信号后,接管对总线的控制,进入d m a 方式; ( 3 ) 发出地址信息,能对存储器寻址并能修改地址指针; ( 4 ) 发出读或写等控制信号; ( 5 ) 决定传送是否结束,判断d m a 传送是否结束; ( 6 ) 发出d m a 结束信号,使微处理器恢复j 下常工作状态; 在本项目的设计中,信号的采集工作是非常重要的组成部分,选取合适的数 据传送方式对于软件部分的数据处理、显示、存储以及再现功能的实现至关重要。 2 1 3 采样频率的选取 数字信号x a 只是模拟信号x a 一个特定时刻取值的转换结果。我们用 x d ) 描述x a 的一序列离散采样值。采样定理( s a m p l i n gt h e o r e m ) 已经指出,如果信号本身的 频带是有限的,而采样频率有大于等于两倍信号所包含的最高频率,则在理论上 是可以根据其离散采样值完全恢复出原始信号。这相当于在信号最高频率时,每 硕i :论文基于核哀变的真随机数发生器设汁厦门人学 一个周期至少提取两个采样值。实际上,为保证信号质量,选用的采样频率经常 大于采样定理所指出的最小的采样频率,而选用信号的最高频率的3 倍n 4 倍。工 程上有时候取到1 0 倍。 如果采样频率不够高,将会产生“混叠 ( a 1 i a s ) 现象。通常为免除输入信号 中杂散分量频率过高的影响,可以在采样处理前,先使用截止频率为采样频率0 5 倍的低通滤波器。 2 1 4 采样方式的讨论 有两种基本的数字化采样方式可供选择。“实时采样 ( r e a l t i m es a m p l i n g ) 与“等效时间采样”( e q u i v a l e n t t i m es a m p l i n g ) 。显然“实时采样”最为直观。 当数字化一开始,信号波形的第一个采样点就被采入并数字化。然后,经过一个 采样间隔,再采入第二个样本。这样一直将整个信号波形数字化后存入波形存储 器,如图2 3 所示。 聚撑偿号 葭始信号 图2 3 实时采样技术图 实时采样的主要优点在于信号波形- n 就采入,因此适用于任何形式的信号 波形,重复的或不重复的。又由于所有采样点是按时间顺序,因而易于实现波形 显示功能。 “实时显示 的主要缺点,是速度分辨率较差。每个采样点的采入、量化、存 储,必须在小于采样间隔的时间内全部完成。若对信号的时间分辨率要求很高, 比如采样间隔要求为几百或几十n s ,那么每个采样点的数字化工作就来不及做 了。在智能仪器中,“实时采样”除了通常使用的“定时采样( 即等间隔采样) 外,还常常采用“变步长采样”,即“等点采样”。这种采样方法不论被测信号 频率为多少,一个信号周期内均匀采样的点数总共为n 个。由于采样信号周期随 被测信号周期变化,故通常称为“变步长采样”,“变步长采样”既能满足仪器 硕l :论文基于核衰变的真随机数发生器设计 厦门人学 精度的要求,又能合理的使用仪器计算机内存单元,还能使增强以其功能所要求 的数据处理软件的设计大为简化。 原始信号 图2 4 等效时间采样技术 “定时采样”的特例为“扫描转换技术”,又成为闪光转换。扫描转换以快 速采样的办法收集信号波形,然后用一段时间成批的处理所有样本的转换。显然, 这不是一种连续进行的数字化技术。 “等效时间采样,技术可以实现很高的数字化转换频率。然而,这种技术 要求信号波形是可以重复产生的。由于波形可以重复取得,故采样可以用较慢速 度进行,如图9 所示。采样的样本可以是时序的( 步进、步退、差额) ,也可以是 随机的。这样就可以把许多采样的样本合成一个采样密度较高的波形。一般也常 将“等效时间采样”称为“变换采样。 如图2 5 所示,为采样方式的分类。当被测信号有效持续时间很短时,产生高 重复频率的采样脉冲很困难,因而采用“定时采样”方式也有困难。但如果被测 信号是周期或重复信号,则可以考虑采用“变换采样”。 硕 :论义 基十核哀变的真随机数发生器设计厦门人学 采样: 变换采样 ( 等效时间采样) 晰变换群 随机变换采样 图2 5 采样方式的分类 2 2 、ni d a ( ;i 简介1 一般情况下,d a q 硬件设备的基本功能包括模拟量输入( a d ) 、模拟量输出 ( d a ) 、数字i o ( d i g i t a li o ) 和定时( t i m e r ) 计数( c o u n t e r ) 。随着计算机 和总线技术的发展,越来越多的科学家和工程师采用基于p c 的数据采集( d a t a a c q u i s i t i o n ,简称d a q ) 系统来完成实验室研究和工业控制中的测试测量任务。 下面介绍一些d a q 的基本概念。 1 a d a d 转换器是把模拟输入量转换为输出数字量的器件,也是d a q 硬件的核 心。就工作原理而言,a d 转换有3 种方法:逐次逼近法a d 、双积分法a d 和并行 比较法a d 。在d a q 产品中应用较多的方法是逐次逼近法a d 双积分法a d 主要应 用于速度要求不高,但可靠性和抗干扰性要求较高的场合,如数字万用表等。并 行比较法a d 主要应用于高速采样,比如数字示波器、数字采样器等应用场合。 衡量a d 转换器性能好坏主要有两个指标,一是采样分辨率,且w a d 转换器位数, 二是a d 转换速度。这二者都与a d 转换器的工作原理有关。 2 d a d a q 系统经常需要为被测对象提供激励信号,也就是输出模拟量信号。d a 转 样 样 采 采 隔 长 问 步 等 变 样 样 采 采 时 点 定 等 样采时 实 硕士论文甚于核衰变的真随机数发生器设计暖门人学 换器就是

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