西安交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘要含憶阻器混沌系統(tǒng)Ardunio的實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹及相關(guān)芯片簡(jiǎn)介Arduino開發(fā)平臺(tái)是一款開源的電子原型平臺(tái)，Arduino具有跨平臺(tái)、開發(fā)簡(jiǎn)單清晰、開放性強(qiáng)和擁有社區(qū)及第三方平臺(tái)支持的優(yōu)點(diǎn)，包含硬件和軟件兩大板塊。本文使用的仿真硬件平臺(tái)為ArduinoUNOR3，使用的編程軟件平臺(tái)為ArduinoIDE和電路模擬軟件為Fritzing。雖然本文所使用Arduino開發(fā)板自帶模擬輸出端口，但其輸出形式為PWM調(diào)制波，通過此方式輸出模擬信號(hào)效果不理想，可能會(huì)出現(xiàn)計(jì)時(shí)器函數(shù)不準(zhǔn)確的情況。因此本文采用Arduino的數(shù)字輸出方式輸出，并使用數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片TLC5615進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，最終使用示波器進(jìn)行波形驗(yàn)證。Arduino平臺(tái)簡(jiǎn)介圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s11ArduinoUNOR3平臺(tái)示意圖ArduinoUNOR3開發(fā)板使用了AVR的Atmega328芯片，通過USB接口連接電腦，即可正常的工作，也可以通過DC電源接口供電，脫離電腦進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)行。其結(jié)構(gòu)圖如圖4-11所示，包含1個(gè)USB接口，通過該接口供電、載入數(shù)據(jù)和代碼，令其正常工作，也包含1個(gè)DC電源輸入接口，幫助驅(qū)動(dòng)大功率設(shè)備，本文主要仿真混沌模型，因此采用第一種工作模式。本平臺(tái)共有14個(gè)數(shù)字輸入輸出端口，其中6個(gè)端口可以輸出模擬信號(hào)，6個(gè)端口可以通過PWM方式輸出模擬信號(hào)；本文主要使用數(shù)字輸出端口(5、6、7、10、11和13)；Arduino包含1個(gè)5V和1個(gè)3.3V的直流電源供電口，可使用其為數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片供電。其中的主芯片Atmega328使用的為16MHz的晶振，擁有1KB的EEPROM、2KB的SRAM和32KB的Flash，可供代碼的儲(chǔ)存運(yùn)算需要。芯片簡(jiǎn)介數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片本文所使用的Arduino平臺(tái)由于本身自帶的數(shù)模轉(zhuǎn)換功能過于復(fù)雜和所使用的轉(zhuǎn)換方式（PWM）會(huì)產(chǎn)生很多雜波，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響較大。因此使用了簡(jiǎn)單的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片TCL5615，該芯片的管腳圖如圖4-2所示。（a）（b）圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s12TCL5615的引腳排列及功能方框圖（a）和實(shí)物圖TCL5615芯片由德州儀器于1999年推出的數(shù)模轉(zhuǎn)化類產(chǎn)品，其可以將10位的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)輸出，其中DIN為串行輸入端口，SCLK為串行時(shí)鐘輸入端，為芯片選通端（低電平有效），DOUT為級(jí)聯(lián)串行數(shù)據(jù)輸出端（本文不適用該端口），AGND模擬地端，REFIN為基準(zhǔn)電壓端，OUT為模擬信號(hào)輸出端口，VDD為正電壓端（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，該芯片使用先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，具備32個(gè)8位通用工作寄存器。具有非易性程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其可編程FLASH可以擦寫近一萬次。該芯片具有獨(dú)立索鎖定位的可選BOOST代碼區(qū)，能實(shí)現(xiàn)真正意義上的真正意義上的同時(shí)讀寫，其外設(shè)管腳眾多，包含6通路的PWM、8路10位的ADC、可工作與主機(jī)/從機(jī)模式的SPI串行接口和23個(gè)可編程的I/O接口等，工作電壓在1.8v到5.5v之間，工作速度為0-20Mhz。（a）（b）圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s13ATmega328p的引腳排列及功能方框圖（a）和實(shí)物圖（b）實(shí)驗(yàn)電路搭建及仿真通過上述接線圖和原理圖將實(shí)物模型相互連接構(gòu)成仿真電路，圖中的SCLK為時(shí)鐘輸入接口，通過此接口可以提供相應(yīng)的仿真頻率，REFIN基準(zhǔn)電壓，這里通過兩個(gè)10的電阻分壓提供。DIN為仿真數(shù)據(jù)的數(shù)字輸出端，通過該口可以傳輸10位數(shù)字信號(hào)，CS為片選信號(hào)端。以上使用Arduino控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器需要通過編寫相應(yīng)的庫(kù)文件實(shí)現(xiàn)。其仿真電路的電路原理圖和仿真實(shí)物電路圖如圖4-4和圖4-5所示。圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s14電路實(shí)物連接圖圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s15仿真電路原理圖根據(jù)上述的實(shí)物連接圖（圖4-4）和原理圖（圖4-5）進(jìn)行電路搭建，調(diào)整相應(yīng)的仿真參數(shù)，得到合適的波形，并通過示波器對(duì)其波形進(jìn)行觀察，其各個(gè)平面的相圖如圖4-6所示。通過Arduino實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建相應(yīng)的仿真電路，得到的各個(gè)平面的相圖（圖4-6）與通過MATLAB仿真所得的結(jié)果相同，因此我們可以驗(yàn)證此憶阻器模型的正確性和可行性，并驗(yàn)證的仿真結(jié)果的正確性，則為我們之前進(jìn)行的所有試驗(yàn)進(jìn)行了一個(gè)驗(yàn)證。（a）（b）（c）圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s16（a）為x-y平面相圖，（b）為x-z平面相圖（c）為y-z平面相圖結(jié)論與展望總結(jié)憶阻器作為第四種基本電路元器件，被蔡少棠院士提出后，由于其具有優(yōu)良的記憶特性，便吸引了大量科學(xué)家們的目光，隨之各種憶阻器數(shù)學(xué)模型被相繼被提出。同時(shí)，憶阻器優(yōu)良的非線性特性能夠?yàn)榻?fù)雜動(dòng)力學(xué)特征的混沌系統(tǒng)提供新的途徑，因此，很多新型混沌系統(tǒng)的非線性部分便采用了憶阻器模型。由于早期憶阻器模型的不成熟和技術(shù)條件的限制，憶阻器混沌系統(tǒng)的應(yīng)用范圍并不廣。近些年，憶阻器物理模型的實(shí)現(xiàn)和商業(yè)化，加快了憶阻器混沌系統(tǒng)的發(fā)展速度。本文通過查閱大量的相關(guān)文獻(xiàn)，在已有的研究成果上，構(gòu)建了一個(gè)新型的憶阻器模型，并對(duì)此憶阻器模型進(jìn)行了特性分析，驗(yàn)證其模型的成立性。并通過該模型構(gòu)建一個(gè)含憶阻器的振蕩電路，通過理論分析得出該電路的數(shù)學(xué)模型，并通過空間相圖、時(shí)域圖、李雅普諾夫指數(shù)、龐加萊映射以及系統(tǒng)頻譜圖對(duì)該模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，證明了該模型沒滿足混沌系統(tǒng)的相關(guān)要求，并通過相關(guān)的仿真結(jié)果分析了該模型的相關(guān)特性。在驗(yàn)證完成后，通過Arduino實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)的仿真模擬，并通過示波器顯示該混沌系統(tǒng)的相圖，驗(yàn)證了通過Matlab中仿真模型的正確性。通過此次對(duì)憶阻器以及憶阻器混沌系統(tǒng)相關(guān)學(xué)習(xí)和研究，對(duì)憶阻器及含憶阻器的混沌系統(tǒng)有更深的認(rèn)識(shí)，掌握了很多的理論和研究方法，并提出了一個(gè)新的憶阻器及含該憶阻器的混沌電路模型，通過Arduino平臺(tái)對(duì)該模型的仿真和實(shí)現(xiàn)，熟練的掌握了Arduino平臺(tái)的應(yīng)用和開發(fā)。本次的學(xué)習(xí)和研究使本人有極大收獲。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對(duì)其進(jìn)行更加深入的研究。研究的局限和不深入主要表彰在：一、提出的憶阻器模型，僅對(duì)該模型進(jìn)行了特性驗(yàn)證，并未考慮該模型是否易于實(shí)現(xiàn)，也并未對(duì)該模型進(jìn)行深入的特性分析，并未證明該模型相對(duì)于其他模型的優(yōu)勢(shì)。二、混沌系統(tǒng)雖然有比較成熟的研究成果，當(dāng)含憶阻器的混沌電路模型屬于新興研究領(lǐng)域，本文僅對(duì)含該憶阻器模型混沌電路進(jìn)行了混沌特性驗(yàn)證，雖然產(chǎn)生了混沌當(dāng)渦卷吸引子，但并未對(duì)其進(jìn)行更深層次的研究。三、使用Arduino平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算速度過慢，相關(guān)算法進(jìn)行優(yōu)化。其次使用Arduino平臺(tái)自帶AD轉(zhuǎn)化器失敗，最終使用外接AD裝換器，沒有充分利用Arduino實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本文主要基于已有文獻(xiàn)和研究成果基礎(chǔ)上做出的相關(guān)研究，創(chuàng)新性和突破性都有待提高。本文針對(duì)上述的局限和不足，并為了進(jìn)一步擴(kuò)展該研究成果的，結(jié)合現(xiàn)今新技術(shù)和新成果的迭代和更新速度快的特點(diǎn)，提出以下的期望與展望：對(duì)憶阻器模型有更深的思考和研究，對(duì)搞憶阻器模型進(jìn)行更深層次的驗(yàn)證，更深層次的研究該模型具有的相對(duì)于其他模型的優(yōu)勢(shì)。對(duì)含該憶阻器模型的混沌電路進(jìn)行更深層次的研究，進(jìn)行相關(guān)的特性分析，找到更加理想的參數(shù)模型，并分析其優(yōu)劣，對(duì)其參數(shù)進(jìn)行修正。對(duì)Arduino平臺(tái)進(jìn)行更加深入的學(xué)習(xí)，并通過算法改進(jìn)減小該平臺(tái)模擬的相關(guān)誤差。由于本人的科研能力和時(shí)間的限制，本文可能僅是對(duì)憶阻器及憶阻器混沌模型粗淺的研究和簡(jiǎn)單地嘗試，部分問題研究不徹底、不深入和不全面。有很多需要的改進(jìn)和完善的地方，希望各位老師、同學(xué)能夠批評(píng)指正。 附錄參考文獻(xiàn)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.混沌系統(tǒng)與混沌電路:原理、設(shè)計(jì)及其在通信中的應(yīng)用[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2011.包伯成,胡文,許建平,etal.憶阻混沌電路的分析與實(shí)現(xiàn)[J].物理學(xué)報(bào),2011,60(12):58-65.俞清,包伯成,徐權(quán),等.基于有源廣義憶阻的無感混沌電路研究[J].物理學(xué)報(bào),2015,64(17):36-44.包伯成,劉中,許建平.憶阻混沌振蕩器的動(dòng)力學(xué)分析[J].物理學(xué)報(bào),2010,59(6):3785-3793.王興元.混沌系統(tǒng)的同步及在保密通信中的應(yīng)用[M].科學(xué)出版社,2012.武花干,包伯成,馮霏.簡(jiǎn)單記憶混沌系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析與電路實(shí)現(xiàn)[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版）,2014,46(1):134-139.佚名.離子遷移憶阻混沌電路及其在語音保密通信中的應(yīng)用[J].物理學(xué)報(bào),2015,64(21):210507-210507.王詩(shī)斌.混沌理論及混沌振蕩器的研究[D].湖南大學(xué),2004.致謝轉(zhuǎn)眼間，大學(xué)四年隨著這篇論文的定稿和提交也即將結(jié)束，回首這四年的大學(xué)時(shí)光，從剛開學(xué)的懵懂少年到如今的熱血青年。這四年，學(xué)會(huì)了很多，懂得了很多，也明白了很多。雖然得與失并存，但終究還是得大于失。四年了歷練，終歸讓一個(gè)剛成年的“小毛孩”長(zhǎng)大了。在這里，首先，應(yīng)該感謝我的本科生導(dǎo)師，王發(fā)強(qiáng)王老師。大二上學(xué)期擔(dān)任我們班的信號(hào)與系統(tǒng)老師，教學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、嚴(yán)肅，對(duì)待學(xué)生和藹可親；從那時(shí)起，便對(duì)王老師產(chǎn)生了深深的敬意。在大二下學(xué)期確定導(dǎo)師時(shí)，便選擇了王老師。之后的學(xué)習(xí)以及科