混沌原理在无线保密通信中的运用毕业设计论文.doc

南 阳 理 工 学 院 本科生毕业设计（论文） 学 院：电子与电气工程学院 专 业： 自动化 学 生： 指导教师： 完成日期 2014 年 5 月南阳理工学院本科生毕业设计（论文） 混沌原理在无线保密通信中的运用 Application of Chaos Theory in Wireless Secure Communication 总 计： 29 页 表 格： 1 个 插 图： 19 幅 南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计（论文） 混沌原理在无线保密通信中的运用 Application of Chaos Theory in Wireless Secure Communication学 院： 电子与电气工程学院 专 业： 自动化 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师（职称）： 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 南阳理工学院 Nanyang Institute of Technology混沌原理在无线保密通信中的运用混沌原理在无线保密通信中的运用 自动化专业 摘要本文涉及的基础理论是混沌原理。首先利用Euler算法将Lorenz混沌系统离散化，在MK60DN512ZVLQ10单片机上产生混沌吸引子，然后根据混沌同步控制法，将驱动和响应系统同步，再利用语音芯片采集语音信号，用混沌信号给语音信号加密。利用无线传输芯片传输加密后的信号，最后在响应系统中再将原信号解密出来，最终实现了一个在线实时的语音混沌保密通信系统。关键词 混沌原理；Lorenz混沌系统；混沌吸引子；混沌同步控制Application of Chaos Theory in Wireless Secure Communication Automation SpecialtyAbstract: This paper refers to chaos which is this papers theoretical basis. Fistly we discretize the Lorenz chaotic system by use of Euler algorithm, generating chaotic tractor in MK60DN512ZVLQ10 microcontroller. According to chaos synchronous control method, we carry out the synchronization of sending system and receiving system. Then we use voice chip to collect voice signal and add chaotic signal to speech signal.We use wireless transmission to transmit the signal which is worked.Finally we get the original signal which is decrypted in the receiving system. In conclusion,we make a real-timeu wireless speech chaotic secure communication system come true.Key words: Chaos theory; lorenz chaotic system; lhaotic tractor ;chaos synchronous control.目 录1 引言12 系统的理论基础22.1 混沌及其基本特性22.2 混沌研究方法及同步控制32.2.1 常用的研究方法32.2.2 混沌同步控制52.3 Lorenz混沌系统72.4 系统信号同步传输控制原理82.5 混沌掩盖103 系统的技术支持113.1 MK60DN512ZVLQ10的应用说明113.2 语音芯片vs1003的应用说明123.3 收发芯片nRF2401的应用说明144 无线保密通信系统的实现154.1 Lorenz混沌系统的硬件实现15 4.1.1 Lorenz混沌系统的MK60实现154.1.2 Lorenz混沌系统的离散化164.1.3 语音信号的保密传输164.1.4 信号的发送和接收184.2 Lorenz混沌系统matlab仿真204.2.1 Lorenz混沌系统的matlab实现204.2.2 混沌系统同步22结束语24参考文献25附录26致谢29 261 引言混沌技术在通信行业中的应用越来越广泛，已经成为本世纪的前沿和热点之一。混沌技术特别适用于通讯的保密，主要是因为混沌运动具有的特点。尤其是：a.内在随机性，b.有界性，c.普适性。其中内在随机性能够保证将有用信号和混沌信号叠加后，很难被破解。本文主要研究混沌原理在无线保密通信中的运用，通过matlab仿真和硬件设计实现了一个实时的语音混沌保密通信系统。 （1） 混沌技术的应用前景90年代以来，不仅混沌的理论研究发展迅速，更重要的是混沌的工程应用究突飞猛进，取得众多可喜的研究成果。混沌的研究与应用已涉及到工程、数学、物理、化学、生物、医学、经济以至社会科学等众多领域。然而在相当长的一段时期内，由于混沌的奇异特性（奇异吸引子），以及对初始条件的高度敏感和不稳定特性，人们总是认为混沌是无法驾驭的，更别谈能将其应用于工程实践。人们在实际的系统分析和设计中，追求的是系统的稳定与可靠，力求避免混沌现象的出现。这种固定的思维模式和对混沌的片面认识一直制约了混沌理论的发展与应用。但是随着人们对混沌认识的深入，特别是1990年混沌的控制及同步理论取得了突破性进展，由此激发起来的理论与应用研究得到迅速发展，使得混沌的应用与发展出现了契机1。混沌的应用主要有混沌分析与混沌综合两个方面。混沌分析对自然界中已存在的或是人工制造的混沌信号进行相应分析，以便找出混沌现象的背后所隐藏的确定性规则，比如混沌时间序列的预测等等；而混沌综合则是利用人工产生的混沌信号来从混沌动力系统内获得一些所需要的功能，例如人工神经网络联想记忆的功能等。混沌在工程上的潜在应用可以概括为 混沌通信与保密通信； 混沌控制； 系统优化； 混沌神经网络； 图像数据压缩； 高速检索； 非线性时间序列的预测； 模式识别； 故障诊断。混沌在众多领域中的研究表明混沌应用很可能成为一个新兴的产业并显示出巨大的经济效益和技术的先进性。本文就是主要研究混沌原理在无线保密通信中的应用。 （2） 本文的组织结构安排本文主要论证了以混沌原理为基础实现无线保密通信。第1部分主要阐述了混沌技术的应用前景。第2部分主要介绍了混沌的一些基本原理知识和混沌系统同步方法。第3部分阐述了MK60DN512ZVLQ10的基本特性，对本文使用的芯片进行了概述。第4部分介绍系统硬件和软件实现。整个组织结构图如图1所示。系统的技术基础系统的硬件和软件实现混沌技术的应用前景系统的理论基础 图1 文章组织结构图2 系统的理论基础2.1 混沌及其基本特性 （1） 混沌的定义 目前在国际上混沌仍然没有一个统一的定义，这是由于人们对混沌系统的复杂性和奇异性尚未彻底了解，己有的定义都是从不同的侧面反映了混沌运动的性质2。在非线性动力学中提出了一些可供理论判定的实际测量的标度和定义，尽管这些还只是从物理学和数学的角度给混沌所下的定义，但它却给混沌学的建立和发展打下了基础。关于混沌的定义，较为常用的有以下四个。若某个系统可以满足下面四个条件之一，就可认为该系统是混沌的。 系统具有正的Kolmogorov熵； 系统对初始条件高度敏感和具有拓扑传递的特性； 系统有一个Smale马蹄； 系统具有正的李氏指数 （2） 混沌的基本特点不论是现实世界的混沌现象，还是科学家揭示的新的混沌系统，都具有以下三个最基本的特征： 对初始条件的敏感依赖性这一特征也常被称作“蝴蝶效应”。也即混沌系统对其初始条件异常敏感，以至于最初状态的轻微变化都可能导致不成比例的巨大后果。有趣的是，数学上华人李天岩和美国科学家约克首先一起最早发现一个著名的混沌方面的定理：“周期三即意味着混沌”，意思是说，一个系统一出现了“周期三”则该系统什么样的行为都可能发生。可见，混沌的最大特征是对初始条件的微小变化表现出高度的敏感性，所谓“差之毫厘，失之千里”，此特征直接与不确定性及不可预测性相关。因为初始条件是不稳定的，不为人知的，故我们不能预测这一不成比例的过程将产生什么效果。同样，对初始条件的敏感依赖性也包含着非线性特征，即系统中某一部分的微小混乱所产生的后果，能导致系统其它部分的巨大变化。故没有任何两种结果是相似的。 分形分形是著名数学家曼德尔布诺特创立的分形几何理论的重要概念，意为系统在不同标度下具有自相似性质。而自相似性则是跨尺度的对称性它意味着递归，即在一个模式内部还一个模式。由于系统特征具有跨标度的重复性，所以可产生出具有结构和规则的隐蔽的有序模式。由此，分形具有两个普通特征：第一，它们至始至终都是不规则的；第二，在不同的尺度上，不规则程度却是个常量。 奇异吸引子吸引子是系统被吸引并最终固定于某一状态的特征3。有三种不同的吸引子控制和限制物体的运动程度：点吸引子、极限环吸引子和奇异吸引子。点吸引子和极限环吸引子都起着限制的作用以便系统的性态呈现出静态的、平衡性特征，故它们也叫做收敛性吸引子。而奇异吸引子则与前二者不同，它使系统偏离收敛性吸引子的区域而导向不同的形态。它通过诱发系统的活力，使其变为非预设模式，从而创造了不可预测性。2.2 混沌研究方法及同步控制2.2.1 常用的研究方法混沌现象是非线性系统所呈现出来的一种高度复杂的动力行为，但并不是任何一个非线性系统都具有混沌行为，非线性只是产生混沌的必要条件而非充分条件。混沌研究中，人们关心的主要问题是：(1)如何判断一个给定的系统是否会产生混沌运动；(2)如何对混沌运动在数学上进行定量的刻画；(3)如何从不确定的混沌运动中获取一些有用信息。目前，常见的定性和定量的研究混沌的方法有以下几种：（1） 李雅普诺夫特征指数法 李雅普诺夫特征指数(以下简称李氏指数)是对初值敏感性进行判断的一个定量的指标，它表示相邻轨线间的平均发散(分离)率，是一个统计平均量。目前，人们将混沌分为两大类：低维混沌与超维混沌系统，不管它属于哪一类，其基本特征是具有正的李氏指数，仅仅只具有一个正的李氏指数的混沌系统是低维的混沌系统，但具有多个正的李氏指数的混沌系统就被称为超混沌系统。以三阶和四阶系统中李氏指数为例加以解释，对于三阶系统中的周期解(或极限环)，其李氏指数具体形式为(一，一，0)；对于三阶混沌系统，它含一个正的李氏指数，具体形式为(+，O，-)；对于四阶超混沌系统，它具有二个正的李氏指数，具体形式为(+，+，0，-）。其中大于0的指数表示敏感初始条件的伸长性质，等于0的指数表示沿极限环方向的轨道长度不发散也不收敛，小于0的指数表示吸引子的折叠性，这种拉伸与折叠的运动便产生出混沌吸引子。（2） 系统的相轨迹 相轨迹是系统的解曲线在状态向量张成的相空间中的几何表示。这种方法一般是利用计算机数值仿真，绘制出系统状态变量在相空间中的轨迹变化图、状态变量的时域波形图或系统参数的分插图等，然后通过对比、分析和综合来研究混沌现象。在相空间中，周期运动的轨迹是闭合的曲线，混沌运动轨迹是吸引域内永不闭合的曲线(混沌吸引子)。利用此方法可确定分岔点和普适常数，但是很明显，混沌运动是很复杂的，有时仅靠直接观测相图是很难找到规律的，因而还必须要有其它更为有效的方法。（3） 分频采样法 此方法主要是用于研究非线性振子在周期性的外力作用下的倍周期分岔以及混沌现象，其分辨能力是其他方法所不及的，同样适用于其他的受周期外力作用的非线性系统。为避免在相空间中复杂运动轨迹的混乱不清，该方法可以只限于观察在相空间的采样点要间隔一定的采样周期，这样，原来在相空间中的连续轨迹就会被一系列的离散点所代表。此方法可用来判断混沌系统的动力学行为，对于所有的由周期外力来驱动的非线性系统而言，当采样的结果为一个点时，运动就为周期性的，特殊情况下就是稳定态；当采样的结果为n个离散的点时，运动也为周期的，运动周期将是外控力的n倍；当采样的结果是无穷多个离散点集时，运动就是随机性的；若采样点仅是一定区域内的密集点并且还具有层结构，那么就说这种伪随机运动是具有混沌性的。不断加大其分辨能力，就能够得到不断重复的原分布形态的细微分的几何结构，这种无穷多层次的自相似特性即标度不变性。不过该方法有两个主要的缺点，一是解释不唯一，二是不能分辨比采样频率更高的频率。（4） 庞加莱截面法 利用相图的方法虽然可以简化复杂运动系统，但是对有些非常复杂的系统，研究其轨道是极其困难的。例如有些倍周期运动的倍数是很高的，其轨道看起来好像是很混乱，难于与非周期性运动进行相区别，这时就可用庞加莱截面的方法来进行研究。它不只容易区别周期与非周期，还能清楚地反映动力系统在庞加莱截面上的相应结构。庞加莱截面法是于19世纪末提出的一种新方法，它对于用来分析多变量的自治系统运动很是有效。在多维的相空间中适当选取一个截面，并称其为庞加莱截面。这样，我们就可以由计算机画出庞加莱截面上的截点，然后再通过观察截点的分布，从而可以可得知其运动的性质。依据混沌研究的结果表明：当庞加莱截面上是一条封闭曲线时，运动是为准周期的；当庞加莱截面上仅有一个不动点或少数离散点时，运动为周期的；当庞加莱截面上是一些成片的密集点时，就是混沌运动。（5） 赝相空间法 庞加莱截面法适用于对精确已知的数学模型的动力系统进行混沌特征的分析，当动力系统的数学模型未知的情况时，庞加莱截面法此时就无能为力了。虽然赝相空间法是利用一个变量在不同的时刻的值构成的相空间，但其动力系统中一个变量的变化与此变量和系统的其他变量之间的相互关系有关系，即此变量会随着时间的变化隐含有整个系统的动力学规律。所以，重构相空间的轨迹也反映出了系统状态的演变规律。如果对于定态，通过这种方法得到的结果仍然会是一个定点：对于周期运动时，结果会是有限个点；当对于混沌系统时，所得到的结果是一定分布形式或结构的离散的点。因此赝相空间法只要能测得动力系统一个变量，就可以利用嵌入定理重组相空间，得到动力系统的演变规律，进行相应的混沌运动分析。（6） 自功率谱密度分析法 这种方法是相对于时域分析的方法被提出的，通过混沌信号在其频域上的特性来分析混沌系统的动力学行为4。对于周期性运动，功率谱只在其基频与倍频处会出现尖峰，准周期对其相应的功率谱将在几个不可约的基频及由它们叠加所在的频率处会出现尖峰。不相同带宽噪声的自功率谱带宽可展示噪声频带带宽窄的特性。当发生倍周期分岔时，功率谱中将会出现分频以及倍频情况，在这些相应的频率点上的功率谱图均会有尖峰出现。由于混沌运动的特性表现为在功率谱中会出现噪声背景的宽峰的连续谱，且其中含有周期性运动相对应的尖峰，这就表示混沌运动的轨道会访问各个混沌带的平均周期。依据这些特性，可以非常容易地识别运动的特征是随机的、准周期的、周期的还是为混沌的。2.2.2 混沌同步控制 （1） 混沌同步概念混沌系统的同步是指一个系统的混沌轨道将收敛于另一个混沌系统轨道的同一值，他们之间始终保持步调一致，并且这种同步时结构稳定的。广义上讲，混沌同步属于特定的混沌控制的范畴，是实现两个系统混沌状态的完全重构5。 （2） 混沌同步控制混沌同步主要分为两大类： 广义同步（GS）：对于两个或多个完全不同的混沌系统，即F(X，f)F(Y，t)，当它们相应的信号或者只是相位同步，或者只是频率同步，或者只是它们的幅度之间或者两个系统变量之间存在一定的函数关系，这种同步称为广义同步。 恒等同步(IS)：对于系统参数和状态变量完全相同的两个或多个非线性系统，即F（X,t）=F(Y,t),当他们相应的信号幅度与相位大小都完全相同时，便达到了混沌同步，称为恒等同步。 比较经典和常用的混沌系统同步方法有以下几种： 主动-被动同步法 1995年，Kocarev和Parlitz提出了一种改进的方法，即主动被动分解法。其主要思想是：通过把驱动变量或者耦合变量引入到复制系统，导出来系统变量差的微分方程，以得到总体系统的误差的动力学，再采用李氏函数方法或线性化稳定性的分析方法来证明复制的混沌系统与原来的系统达到了稳定同步。与PC方法相比，主动被动同步法中，混沌信号是载体，有用信息被加到这一个载体上，而不是注入发送端混沌系统中。其优点是在选择驱动信号的函数时不受任何限制，灵活性好且更为普遍和实用，驱动响应同步法可认为是主动被动同步法的一个特例。主动被动同步方法还可用于超混沌系统的同步控制，特别适合于保密通信方面的应用。 耦合同步法 在1994年，美国学者Thomburg与Roy以及日本学Taehikawa、Suga-Wara等人分别独立地从两个混沌激光系统的实验之中观察到了混沌的同步现象。Chua和Kapitaniank等人又用相互耦合的方法使得两个蔡氏电路达到了同步，并对线性耦合情形作了分析，在理论上证明了决定混沌的同步的关键是耦合的强度，系统之间只有足够强的耦合，才可实现混沌同步。很多研究都表明了在一定条件下，相互耦合的混沌系统可以实现混沌同步，而且具有较好的鲁棒性。但能够实现混沌同步的可相互耦合非线性系统的动力学行为是十分复杂的，迄今为止，还没有一个一般的普适理论。在互耦合的情形下，总体系统不区分驱动和响应关系，所以这种同步方法也适合于研究无法实现子系统分解的实际系统。 自适应同步法 Huberman与Lumer于1990年提出了用自适应法来控制混沌的方法，Amritkar和Jobn将这一个原理应用于混沌同步，并实现了混沌系统的相空间轨迹和所期望的不稳定轨道之间的同步6。自适应同步法即通过自适应的控制技术来自动调节系统的某些参数以便达到混沌同步的目的，适用于参数失配的混沌系统，也可用于超混沌系统的同步。因为自适应率的采用可以调节控制规律，同时还可以减少不稳定因素的影响。通过对两个系统进行分析，计算出参数的自适应率，我们可以保证未知参数系统的参数能够与另一系统的确定的参数达到接近或者相同。该方法的应用有两个前提条件：(1)对于所期望的轨道，这些参数值是己知的：(2)系统至少有一个或多个参数可得到。系统参数的调整由以下两个因素决定：(1)受控参数值与所期望的相应的参数值之间的差值；(2)系统输出变量与所期望轨道的相应变量的差值。这种方法非常具有吸引力，在电子学领域已经有很好的应用。自适应混沌同步的方法，既可选取控制系统中的某些参数，也可以选取不同的控制函数，可选择的余地非常大，可以将它应用于通信领域，并且还能够保证信息的安全传输。但是该方法在实际应用的过程中也存在一定的难点，即怎么选择适当的自适应控制函数，选取的结果应当保证两系统的同步，同时在其复杂度上也不能太高。 驱动-响应同步及串联同步法 驱动-响应是美国海军实验室的Pecora和Carroll提出的一种混沌同步方法，简称为P-C方法。其基本思想是把驱动系统分解成稳定的和不稳定的两个子系统，对不稳定的子系统复制出一个响应系统，当响应系统的李氏指数都是负值时，驱动系统和响应系统才能实现同步。该方法法最大的特点是两个子系统之间存在驱动与响应关系，响应系统的动力行为取决于驱动系统，而驱动系统的动力行为则与响应系统无关。在P-C方法基础上，Pecora和Carroll将其推广到高阶级联混沌系统，提出了串联法。主要方法是用已被同步化的子系统驱动另外一个子系统，这样完整系统中的每一个信号都能够在子系统中产生出相应的同步化信号。对于某些实际的非线性系统，由于天然的特性与物理本质等原因，系统无法进行分解。这时，P-C同步法也就无法使用。关于混沌同步的方法还有很多种，如脉冲同步法、D-B(Dead-Beat)同步法、神经网络同步方法、连续变量反馈同步法等等，随着混同步研究的不断深入，更多的方法肯定会不断出现7。混沌同步方法的研究基本上都是和混沌保密通信联系在一起的，它们各具特点，共同为混沌保密通信得以更好的实现提供了相应的技术支持。2.3 Lorenz混沌系统本文使用的就是Lorenz混沌系统。混沌的创始人Lorenz发现的Lorenz混沌系统方程为： （1） （2） （3） 备注：（其中a、b、c为系统参数） 从方程不难发现，x,y,z运动轨迹严格依赖其初值大小，动力学系统运动主要由系统的运行规律和系统现在的状态因素决定。在数学上，演化规律表现为系统方程，系统现在的状态就是初始条件或初值。在数学上，演化规律表现为系统方程，系统现在的状态就是初始条件或初始值。经典力学的观点认为：只要系统的初始值相差足够小，按照同样的系统方程进行演化时，系统轨迹的偏差就应该是足够小的，两系统的轨迹非常靠近，即对初始条件是不敏感的。然而对混沌系统来说，情况却大大不同，从相差极小的初始值出发的两条系统轨迹，随着演化的进行，初始值的差异被不断放大，最终导致轨迹的偏差非常大，即混沌系统的长期行为对初始值是高度敏感的。由于混沌系统初始条件不可预测，所以系统运动轨迹无法确定，这就是混沌系统长期不可预测性的特性。当系统方程参数a、b、c在合适的范围内，它的运动轨迹始终局限于确定的区域，该区域的大小与混沌系统内部的不稳定无关，故此特性说明混沌系统是整体稳定的，也就是系统的有界性。混沌运动在其混沌区域内是各态历经的，也就是在该区域内的每一个状态点都有混沌轨迹经过，各态遍历。混沌系统的动力学方程是确定的，但其运动形态却具有随机性，系统的内在非线性机制作用会自发产生这种随机性，该特性说明在局部上混沌系统是不稳定的，内在存在随机性8。在采用无线传输的过程中，由于实际电路在调制解调的过程中需要时间，故一定要考虑信号的传输过程中存在的时延。2.4 系统信号同步传输控制原理本作品使用同步信号和语音加密信号分别传输的方法来实现混沌系统的无线语音保密通信9，其基本原理框图如图2所示。图2 同步传输控制原理示意图其中左边虚线框中表示的是发送端，右边实线框中表示的是接收端，发送端通过混沌模拟电路产生一个混沌信号，传送给发送模块1，用于进行与响应系统进行同步；另外在发送端使用混沌模拟电路产生的信号与声音信号进行叠加，将叠加后的信号传送给发送模块；在接收端接收模块接收到带有时延的信号以及带有时延的叠加后的信号，由于该方案中无线传输过程采用两组相同的无模块，故两组模块调制和解调信号的时间也几乎一样，所以传输时延与相同，故可以解密出带有时延的原信号，因此，接收端可以准确的接收到保密信号（语音信号）。本系统选用状态反馈控制法10来实现Lorenz系统的无线延时同步，其驱动系统与响应系统的状态方程如下： （4） （5）为了保证驱动系统和响应系统达到时延同步，需要对其是否能够达到同步进行证明。定义同步误差：得到误差系统的状态方程为： （6）选取式（7）所示李雅普诺夫函数： （7）对李雅普诺夫函数求导，并将式（6）代入式(7)可得： （8）根据误差定义得到 （9）将式（9）代入式（8）得到： （10）对式（10）中后两项进行配方可得： （11） （12）将式（11），式（12）代入式（10），可得： （13）构成Lorenz吸引子的三个状态的变化范围为。在取值范围内选取适当的和的值，使得大于的最大值即可保证，取并且取得最大值，此时得到，这样误差系统渐近稳定，原系统可以达到延时同步。2.5 混沌掩盖 迄今为止，基于混沌同步的保密通信方式主要有三种：(l)混沌掩盖11；(2)混沌调制；(3)混沌键控 。本作品采用混沌掩盖的原理实现语音无线保密通信，其基本原理如图3所示。其中明文信号，即对应于本作品中待加密的语音信号与发送端的混沌系统（驱动系统）某一状态信号进行叠加，通过传输到达解密端。信息接收端 图3 混沌掩盖原理示意图3 系统的技术支持系统用飞思卡尔公司Kinetis M4MK60DN512ZVLQ10(简称K60)单片机来完成Lorenz混沌系统的实现与同步。使用语音芯片来实现语音信号的采集。使用单片射频收发芯片nRF2401来实现信号的无线收发。3.1 MK60DN512ZVLQ10的应用说明在该系统中是利用K60来实现数字式的混沌系统，并实现混沌系统离散化11。下面就它的一些应用做些简要说明。（1） 内核： ARM Cortex-M4 内核带DSP 指令，性能可达 1.25 DMIPS/MHz ( 部分Kinetis 系列提供浮点单元)。 多达32 通道的DMA 可用于外设和存储器数据传输并减少CPU 干预。 提供不同级别的CPU 频率50 MHz、72 MHz 和100 MHz （部分Kinetis 系列提供120 MHz 和150 MHz )。（2） 极低的功耗： 10 种低功耗操作模式用于优化外设活动和唤醒时间以延长电池的寿命。 低漏唤醒单元、低功耗定时器和低功耗RTC 可以更加灵活地实现低功耗。 行业领先的快速唤醒时间。（3） 存储器： 内存空间可扩展，从32 KB 闪存 / 8 KB RAM 到 1 MB 闪存 / 128 KB RAM。多个独立的闪存模块使同时进行代码执行和固件升级成为可能。 可选的16 KB 缓存用于优化总线带宽和闪存执行性能。 Flex 存储器具有高达 512 KB 的 FlexNVM 和高达16 KB 的 FlexRAM。FlexNVM 能够被分区以支持额外的程序闪存（例如引导加载程序）、数据闪存 ( 例如存储大表) 或者EEPROM 备份。FlexRAM 支持EEPROM 字节写/ 字节擦除操作，并且指示最大 EEPROM 空间。 EEPROM 最高超过一千万次的使用寿命。 EEPROM 擦除/ 写速度远高于传统的EEPROM。（4） 模拟混合信号： 快速、高精度的16 位 ADC、12 位DAC、可编程增益放大器、高速比较器和内部电压参考。提供强大的信号调节、转换和分析性能的同时降低了系统成本。（5）人机接口 (HMI)： 低功耗感应触摸传感接口在所有低功耗模式均可工作。（6） 连接性和通信： UART 支持 ISO7816 和 IrDA， I2S、CAN、I2C 和 SPI。（7）可靠性和安全性： 硬件循环冗余校验引擎用于验证存储器内容12、通信数据和增加的系统可靠性。 独立时钟工作的COP 用于防止代码跑飞。 外部看门狗监控。（8） 定时和控制： 强大的FlexTimers 支持通用、PWM 和电机控制功能。 载波调制器发射器用于产生红外波形。 可编程中断定时器用于RTOS 任务调度或者为ADC 转换和可编程延迟模块提供触发源。（9） MK60的电路原理图如图4所示。 图4 MK60电路原理图3.2 语音芯片vs1003的应用说明在该系统中，是使用vs1003来采集语音信号的，下面就它的一些使用方法和原理做些简要说明。当今主流的音频解码芯片有很多，vs1003芯片价格便宜且功能强大，操作简单且易于编程，解码与控制芯片分离，所以音质非常好，完全能够满足我们本次设计的全部需求，因此决定采用vs1003系统的音频解码芯片。该语音芯片的电路原理图如图5所示。图5 vs1003电路原理图该芯片的工作过程是：Vs1003通过一个串行接口来接收输入的比特流，它可以作为一个系统的从机。输入的比特流被解码，然后通过一个数字音量控制器到达一个18位过采样多为DAC。通过串行总线控制解码器。Vs1003采用SCI和SDI通信方式给vs1003发送指令或者是音频数据，通过拉低XDCS或者是XCS来选择vs1003是进入接收指令模式或者是接收音频数据模式。在接收指令模式下，可以通过嵌入式开发板的主控芯片向vs1003的16个寄存器中写入相应的数据，比如向0x0b号寄存器中写入响应的值就可以改变vs1003的音量。在接收数据模式下，可以通过spi的方式向vs1003中写入音频数据，从而实现音频文件的播放。此外，为了方便用户的学习和编程，vs1003内部还集成的有正弦测试程序，用户通过向vs1003写入一定的数据序列可以打开vs1003的正弦测试模式，也可以通过向vs1003写入一定的数据序列关闭正弦测试。Vs1003的工作流程如图6所示。数据流 解码 低音高音是否增强 音频FIFO DAC图6 VS1003工作流程 3.3 收发芯片nRF2401的应用说明利用nRF2401来实现信号的无线发送和接受，下面就它的一些应用做些简要说明。nRF2401 内置地址解码器、先入先出堆栈区、解调处理器、时钟处理器、GFSK 滤波器、低噪声放大器、频率合成器，功率放大器等功能模块，需要很少的外围元件，因此使用起来非常方便。QFN24 引脚封装，外形尺寸只有55mm。nRF2401 的功能模块如图7所示。图7 NRF功能模块nRF2401引脚说明请见表1。表1 nRF2401引脚说明引脚名称引脚功能描述1CE数字输入使nRF2401工作于接受或者发送状态2DR2数字输出频道2接受数据准备好3CLK2数字I/O频道2接受数据时钟输入/输出4DOUT2数字输出频道2接受数据5CS数字输入配置模式的片选段6DR1数字输出频道1接受数据准备好7CLK1数字I/O频道1接受数据时钟输入/输出8DATA数字I/O频道1接受/发送数据端9DVDD电源电源的正数字输出10VSS电源电源地11XC1模拟输出晶振112XC2模拟输入晶振213VDD-PA电源输出给功率放大器提供1.8V的电压14ANT1天线天线接口115ANT2天线天线借口24 无线保密通信系统的实现4.1 Lorenz混沌系统的硬件实现4.1.1 Lorenz混沌系统的MK60实现 本文是在MK60上来实现Lorenz混沌系统的13。MK60编程在IAR编程软件上实现，具体编程主要程序如附录中（1）所示。其中x、y、z，各变量通过DA数模转换，由单片机模拟量输出口输出，通过示波器观察其波形如图8所示。 图8 Lorenz驱动与响应系统的x状态波形4.1.2 Lorenz混沌系统的离散化Lorenz系统的无量纲状态方程： a,b,c为常量参数，当参数a=12,b=33,c=5时，系统处于混沌状态。由于K60是一款数字信号处理器，要想在K60开发板上产生出Lorenz混沌吸引子，就必须把连续的混沌方程进行离散化处理。常用方法有三种：Euler算法、改进Euler算法和Runge-Kutta法。三种方法各有优缺点。在此我们选用Euler算法来对状态方程离散化，令，简记，其中T为可调的取样时间间隔。同样方法处理y、z，并在乘积项中引入一个变量系数P，整理后为：T大小选择很重要，关系到是否能离散化成功，理论上是T选取越小越接近连续混沌系统动态特性。由于K60单片机处理速度限制，在此选取T=0.001s。比例系数K的引入十分有必要，可以通过调节它的大小来调整各变量的取值范围大小，也就是各变量的界限范围，由于硬件条件限制，所以变量取值范围必须在有效范围内才能成功实现混沌系统和同步。而引入比例系数，很容易在单片机中调整。4.1.3 语音信号的保密传输混沌加密的基本思路是把被传输信息信号与某一由混沌系统产生的混沌信号进行某种方式的运算，生成混合类噪声信号，对信息信号加密，该混合信号发送到接收器上后，再由一相应的混沌系统分离其中的混沌信号，即解密过程，进而恢复出原输送的信息信号。由于混沌同步效应的存在，使得这一解密过程能够实现，当然解密效果如何依赖于混沌系统同步的程度。混沌掩盖是较早提出的一种加密方式，掩盖的方式一般有三种：相加、相乘和加乘混合运算。以相加的方式为例，其基本原理是在发送端将信息信号m(t)与混沌信号u(t)相加，在信道中只传送类似噪声的信号s(t)，从而达到保密传送的目的。在接收端，响应系统根据混沌同步的原理可以复制出混沌信号u(t)。这里u(t)=u(t)，那么只需从s(t)中减去接收端响应系统产生的混沌信号u(t)。就可恢复出还原的信息信号m(t)，m(t)=m(t)，即s(t)=m(t)+u(t)，m(t)=s(t)-u(t)。混沌掩盖保密通信的方法比较简单，但在实现这种通信方法时有个要求，即信息信号m(t)要远小于混沌信号u(t)，否则混沌系统可能无法保持较好的稳定性而不能达到同步，接收端也就无法从接收到的混沌调制信号s(t)中恢复出混沌信号量u(t)，也就无法恢复出信息信号m(t)。由于要求m(t)u(t)，这种保密方法易受到预测法的攻击，所以混沌保密通信研究都集中在对掩盖方法的改进上。在对模拟语音进行采样时，我们通过配置VS1003相应寄存器，将其设置为Master模式，MIC IN的信号输入方式，采样率为8KHz，16bit采样。PC机上播放器播放的语音，通过音频线传输到VS1003的语音输入端，经过采样后变成16位的整型数据流。这些数据将以SPI的通信方式K60进行处理。K60将读取的某一数据与混沌方程的某一状态变量进行相加，相加的结果作为下一次相加运算的初始值送到混沌方程，以此方式不断地读取语音数据，并经过循环的迭代运算后，语音信号就被混沌加密了。根据驱动响应同步的原理，将上述运算过程进行相应的逆运算，即可解密出语音信号。图9，10，11给出了相应的实验结果，图9加密处理的模拟语音信号，图10待加密方波信号与解密出的波形图比较，图11为待加密语音信号与解密出的语音信号比较。由图8可以看出语音信号与混沌信号叠加的结果具有类似噪声的特性，从扬声器中只能听到噪声，完全听不出语音信号；由图11可以看出采样后直接输出的语音信号与解密恢复出的语音信号，波形基本一致，扬声其中能够清晰地听出语音，只伴随着轻微的噪声。 图9 未解密的语音信号 图10 待加密正弦波信号与解密出的波形图 图11 待加密语音信号与解密出的语音信号4.1.4 信号的发送和接收 （1） 信号发送及接收原理nRF2401 是单片射频收发芯片，工作于2.42.5GHz ISM 频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置14。芯片能耗非常低，以-5dBm 的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时工作电流只有18mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。其DuoCeiverTM 技术使nRF2401 可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。nRF2401 的应用电路，只需要14 个外围元件。nRF2401 应用电路一般工作于3V，它可用多种低功耗微控制器进行控制。在设计过程中，使用单鞭天线或环形天线，本设计使用50 欧姆单鞭天线的电路设计。在使用不同的天线时，为了得到尽可能大的收发距离，电感电容的参数需适当调整。nRF2401的信号收发电路原理如图12所示。 图12 信号收发电路原理图 （2） 信号的发送 当nRF2401 工作于发送状态时，接口引脚为CE，CLK1，DATA。 A. 当微控制器有数据要发送时，其把CE 置高，使nRF2401 工作； B. 把接收机的地址和要发送的数据按时序送入nRF2401； C. 微控制器把CE 置低，激发nRF2401 进行ShockBurstTM 发射； D. nRF2401 的ShockBurstTM 发射给射频前端供电； F. 射频数据打包(加字头、CRC 校验码)； G. 高速发射数据包； H. 发射完成，nRF2401 进入空闲状态。 （3） 信号的接收 当nRF2401 工作于接收状态时，接口引脚CE、DR1、CLK1 和DATA(接收通道1)。 A. 配置本机地址和要接收的数据包大小； B. 进入接收状态，把CE 置高； C. 200us 后，nRF2401 进入监视状态，等待数据包的到来； D. 当接收到正确的数据包(正确的地址和CRC 校验码)，nRF2401 自动把字头、地址和CRC 校验位移去； E. nRF2401 通过把DR1(这个引脚一般引起微控制器中断)置高通知微控制器； F. 微控制器把数据从nRF2401 移出。4.2 Lorenz混沌系统matlab仿真4.2.1 Lorenz混沌系统的matlab实现Matlab是一款强大的仿真和应用工具，在此采用matlab对混沌系统进行仿真15，观察离散化效果。当参数a=12,b=33,c=5，在matlab中建立M文件编程，Lorenz混沌系统仿真程序见附录中（2）。该程序运行结果如图13所示。 图13 Lorenz混沌吸引子相图通过观察可以发现其三个状态都是有界的。将程序中的plot3(x,y,z)改为plot(x)，plot(y)，plot(z)便可同时观察到其x状态，y状态，z状态的波形图。图14，图15，图16即分别为：Lorenz系统的x状态，Lorenz系统的y状态，Lorenz系统的z状态。图14 Lorenz系统的x状态图15 Lorenz系统的y状态图16 Lorenz系统的z状态可以看出，Lorenz系统的状态信号是非周期的，类似噪声，将它叠加在原始信号上之后而特别能够使得加密后的信号极难破解。因适合保密通信。4.2.2 混沌系统同步在前面已经简单介绍过几种同步方法，本文研究的同步方法为驱动响应同步法，下面以实例说明该同步法实现方法，并给出相应的实验结果。对于一个n维自治动力系统du/dt=f(u)，将其分解为两个子系统v和w：dv/dt=g(v,w)，dw/dt=g(v,w),其中，按照w的形式复制出一个子系统w，即dw/dt=g(v,w)，这样就构造出一个新的系统，dv/dt=g(v,w)，dw/dt=g(v,w)，dw/dt=g(v,w)，其中系统(v,w)称为驱动系统，(v,w)称为响应系统，当响应