含忆阻器混沌系统的Ardunio设计与实现

西安交通大学本科毕业设计（论文）摘要含忆阻器混沌系统Ardunio的实现实验平台介绍及相关芯片简介Arduino开发平台是一款开源的电子原型平台，Arduino具有跨平台、开发简单清晰、开放性强和拥有社区及第三方平台支持的优点，包含硬件和软件两大板块。本文使用的仿真硬件平台为ArduinoUNOR3，使用的编程软件平台为ArduinoIDE和电路模拟软件为Fritzing。虽然本文所使用Arduino开发板自带模拟输出端口，但其输出形式为PWM调制波，通过此方式输出模拟信号效果不理想，可能会出现计时器函数不准确的情况。因此本文采用Arduino的数字输出方式输出，并使用数模转换芯片TLC5615进行数模转换，最终使用示波器进行波形验证。Arduino平台简介图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s11ArduinoUNOR3平台示意图ArduinoUNOR3开发板使用了AVR的Atmega328芯片，通过USB接口连接电脑，即可正常的工作，也可以通过DC电源接口供电，脱离电脑进行独立运行。其结构图如图4-11所示，包含1个USB接口，通过该接口供电、载入数据和代码，令其正常工作，也包含1个DC电源输入接口，帮助驱动大功率设备，本文主要仿真混沌模型，因此采用第一种工作模式。本平台共有14个数字输入输出端口，其中6个端口可以输出模拟信号，6个端口可以通过PWM方式输出模拟信号；本文主要使用数字输出端口(5、6、7、10、11和13)；Arduino包含1个5V和1个3.3V的直流电源供电口，可使用其为数模转换芯片供电。其中的主芯片Atmega328使用的为16MHz的晶振，拥有1KB的EEPROM、2KB的SRAM和32KB的Flash，可供代码的储存运算需要。芯片简介数模转换芯片本文所使用的Arduino平台由于本身自带的数模转换功能过于复杂和所使用的转换方式（PWM）会产生很多杂波，对实验结果的影响较大。因此使用了简单的数模转换芯片TCL5615，该芯片的管脚图如图4-2所示。（a）（b）图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s12TCL5615的引脚排列及功能方框图（a）和实物图TCL5615芯片由德州仪器于1999年推出的数模转化类产品，其可以将10位的数字信号转化为模拟信号输出，其中DIN为串行输入端口，SCLK为串行时钟输入端，为芯片选通端（低电平有效），DOUT为级联串行数据输出端（本文不适用该端口），AGND模拟地端，REFIN为基准电压端，OUT为模拟信号输出端口，VDD为正电压端（通常取5v）。Arduino主芯片芯片Arduino的主芯片采用的是ATMEL公司的8位高性能低功耗芯片ATmega328p，该芯片使用先进的RISC结构，具备32个8位通用工作寄存器。具有非易性程序及数据存储器，其可编程FLASH可以擦写近一万次。该芯片具有独立索锁定位的可选BOOST代码区，能实现真正意义上的真正意义上的同时读写，其外设管脚众多，包含6通路的PWM、8路10位的ADC、可工作与主机/从机模式的SPI串行接口和23个可编程的I/O接口等，工作电压在1.8v到5.5v之间，工作速度为0-20Mhz。（a）（b）图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s13ATmega328p的引脚排列及功能方框图（a）和实物图（b）实验电路搭建及仿真通过上述接线图和原理图将实物模型相互连接构成仿真电路，图中的SCLK为时钟输入接口，通过此接口可以提供相应的仿真频率，REFIN基准电压，这里通过两个10的电阻分压提供。DIN为仿真数据的数字输出端，通过该口可以传输10位数字信号，CS为片选信号端。以上使用Arduino控制数模转换器需要通过编写相应的库文件实现。其仿真电路的电路原理图和仿真实物电路图如图4-4和图4-5所示。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s14电路实物连接图图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s15仿真电路原理图根据上述的实物连接图（图4-4）和原理图（图4-5）进行电路搭建，调整相应的仿真参数，得到合适的波形，并通过示波器对其波形进行观察，其各个平面的相图如图4-6所示。通过Arduino实验平台搭建相应的仿真电路，得到的各个平面的相图（图4-6）与通过MATLAB仿真所得的结果相同，因此我们可以验证此忆阻器模型的正确性和可行性，并验证的仿真结果的正确性，则为我们之前进行的所有试验进行了一个验证。（a）（b）（c）图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s16（a）为x-y平面相图，（b）为x-z平面相图（c）为y-z平面相图结论与展望总结忆阻器作为第四种基本电路元器件，被蔡少棠院士提出后，由于其具有优良的记忆特性，便吸引了大量科学家们的目光，随之各种忆阻器数学模型被相继被提出。同时，忆阻器优良的非线性特性能够为建立复杂动力学特征的混沌系统提供新的途径，因此，很多新型混沌系统的非线性部分便采用了忆阻器模型。由于早期忆阻器模型的不成熟和技术条件的限制，忆阻器混沌系统的应用范围并不广。近些年，忆阻器物理模型的实现和商业化，加快了忆阻器混沌系统的发展速度。本文通过查阅大量的相关文献，在已有的研究成果上，构建了一个新型的忆阻器模型，并对此忆阻器模型进行了特性分析，验证其模型的成立性。并通过该模型构建一个含忆阻器的振荡电路，通过理论分析得出该电路的数学模型，并通过空间相图、时域图、李雅普诺夫指数、庞加莱映射以及系统频谱图对该模型进行动力学分析，证明了该模型没满足混沌系统的相关要求，并通过相关的仿真结果分析了该模型的相关特性。在验证完成后，通过Arduino实验平台进行相关的仿真模拟，并通过示波器显示该混沌系统的相图，验证了通过Matlab中仿真模型的正确性。通过此次对忆阻器以及忆阻器混沌系统相关学习和研究，对忆阻器及含忆阻器的混沌系统有更深的认识，掌握了很多的理论和研究方法，并提出了一个新的忆阻器及含该忆阻器的混沌电路模型，通过Arduino平台对该模型的仿真和实现，熟练的掌握了Arduino平台的应用和开发。本次的学习和研究使本人有极大收获。展望本文的研究有很大的局限性和研究的不深入不完善，因此在后期工作中能对其进行更加深入的研究。研究的局限和不深入主要表彰在：一、提出的忆阻器模型，仅对该模型进行了特性验证，并未考虑该模型是否易于实现，也并未对该模型进行深入的特性分析，并未证明该模型相对于其他模型的优势。二、混沌系统虽然有比较成熟的研究成果，当含忆阻器的混沌电路模型属于新兴研究领域，本文仅对含该忆阻器模型混沌电路进行了混沌特性验证，虽然产生了混沌当涡卷吸引子，但并未对其进行更深层次的研究。三、使用Arduino平台进行验证，计算速度过慢，相关算法进行优化。其次使用Arduino平台自带AD转化器失败，最终使用外接AD装换器，没有充分利用Arduino实验平台。本文主要基于已有文献和研究成果基础上做出的相关研究，创新性和突破性都有待提高。本文针对上述的局限和不足，并为了进一步扩展该研究成果的，结合现今新技术和新成果的迭代和更新速度快的特点，提出以下的期望与展望：对忆阻器模型有更深的思考和研究，对搞忆阻器模型进行更深层次的验证，更深层次的研究该模型具有的相对于其他模型的优势。对含该忆阻器模型的混沌电路进行更深层次的研究，进行相关的特性分析，找到更加理想的参数模型，并分析其优劣，对其参数进行修正。对Arduino平台进行更加深入的学习，并通过算法改进减小该平台模拟的相关误差。由于本人的科研能力和时间的限制，本文可能仅是对忆阻器及忆阻器混沌模型粗浅的研究和简单地尝试，部分问题研究不彻底、不深入和不全面。有很多需要的改进和完善的地方，希望各位老师、同学能够批评指正。 附录参考文献ADDINEN.REFLISTChua,L.Memristor-Themissingcircuitelement[J].IEEETransactionsonCircuitTheory,1971,18(5):507-519.CHUALO,KANGSM.Memristivedevicesandsystems[J].ProctheIEEE,1976,64(2):209-223.Strukov,D.B.,Snider,G.S.,Stewart,D.R.andWilliams,R.S.(2008)TheMissingMemristorFound.Nature,453,80-83.ReslerLM.EdwardNLorenzs1963paper,"Deterministicnonperiodicflow",inJournaloftheAtmosphericSciences,Vol20,pages130-141:Itshistoryandrelevancetophysicalgeography[J].ProgressinPhysicalGeography,2016,40(1):175-180.Li,T.Y.andYorke,J.A.(1975)PeriodThreeImpliesChaos.AmericanMathematicalMonthly,82,985-992.KimH,SahMP,YangC,etal.MemristorEmulatorforMemristorCircuitApplications[J].IEEETransactionsonCircuitsandSystemsI:RegularPapers,2012,59(10):2422-2431.LinZH,WangHX.ImageencryptionbasedonchaoswithPWLmemristorinChua'scircuit[C]//InternationalConferenceonCommunications.2009.BaoB,MaZ,XuJ,etal.ASIMPLEMEMRISTORCHAOTICCIRCUITWITHCOMPLEXDYNAMICS[J].InternationalJournalofBifurcationandChaos,2011,21(09):2629-2645.KokatePP.Memristor-BasedChaoticCircuits[J].IeteTechnicalReview,2009,26(6):417-429.MuthuswamyB.IMPLEMENTINGMEMRISTORBASEDCHAOTICCIRCUITS[J].InternationalJournalofBifurcation&Chaos,2010,20(05):1335-1350.禹思敏.混沌系统与混沌电路:原理、设计及其在通信中的应用[M].西安电子科技大学出版社,2011.包伯成,胡文,许建平,etal.忆阻混沌电路的分析与实现[J].物理学报,2011,60(12):58-65.俞清,包伯成,徐权,等.基于有源广义忆阻的无感混沌电路研究[J].物理学报,2015,64(17):36-44.包伯成,刘中,许建平.忆阻混沌振荡器的动力学分析[J].物理学报,2010,59(6):3785-3793.王兴元.混沌系统的同步及在保密通信中的应用[M].科学出版社,2012.武花干,包伯成,冯霏.简单记忆混沌系统的动力学分析与电路实现[J].四川大学学报（工程科学版）,2014,46(1):134-139.佚名.离子迁移忆阻混沌电路及其在语音保密通信中的应用[J].物理学报,2015,64(21):210507-210507.王诗斌.混沌理论及混沌振荡器的研究[D].湖南大学,2004.致谢转眼间，大学四年随着这篇论文的定稿和提交也即将结束，回首这四年的大学时光，从刚开学的懵懂少年到如今的热血青年。这四年，学会了很多，懂得了很多，也明白了很多。虽然得与失并存，但终究还是得大于失。四年了历练，终归让一个刚成年的“小毛孩”长大了。在这里，首先，应该感谢我的本科生导师，王发强王老师。大二上学期担任我们班的信号与系统老师，教学严谨、严肃，对待学生和蔼可亲；从那时起，便对王老师产生了深深的敬意。在大二下学期确定导师时，便选择了王老师。之后的学习以及科