3.12 基于忆阻器的蔡氏混沌微弱信号检测电路DSP实现
混沌系统的电路实现主要分为两类，一类是3.11节所述的利用运算放大器、电阻、电容、电感等分立元件形成独立的功能模块，再根据电路结构连接组成一个模拟硬件电路；另一类则是采用超大规模可编辑门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)等数字处理芯片经过D/A转换输出到示波器上组成数字电路。数字实现的混沌电路与模拟电路相比通用性更强，易于大规模集成，具有精度高、可靠性高等优点，尤其是受硬件资源的限制小，克服了模拟电路中各分立元件的离散性大、参数误差大、受环境噪声影响大等弱点，因此，DSP的这些特点用于微弱信号检测将提升检测的效果和精度。
图3.34 实际电路检测结果
(a)未加信号，临界混沌状态；(b)加入待测信号，周期状态
基于三次磁控忆阻器的蔡氏混沌微弱信号检测DSP实现系统框图如图3.35所示，对应的检测系统实物如图3.36。系统主要由DSP处理器、A/D模数转换器、D/A数模转换器、示波器以及其他的外围电路等组成。实验采用的DSP处理器为TMS320F2812，是一款采用定点操作的32位DSP，与16位双通道数模转换器(DAC8552)连接可以十分方便地从示波器(Tektronix MSO 4102B-L)上捕获系统的相图及其变化，这对于微弱信号的检测是至关重要的。
在对忆阻器蔡氏微弱信号检测系统模型进行数字实现之前，还需要对其进行离散化处理，本系统采用Euler算法，根据离散化后的系统，用C++语言设计出DSP运行的系统程序，由基于混沌理论的微弱信号检测流程，首先在不加入待测信号前，设定参数使系统处于临界混沌状态；接着加入待测信号，通过A/D转换，将模拟信号转为数字信号由DSP进行处理，主程序的算法流程如图3.37所示。
图3.35 基于忆阻器的蔡氏微弱信号检测DSP系统框图
图3.36 基于忆阻器的蔡氏微弱信号检测DSP系统实物图
利用数字积分器电路与其他运算模块，搭建相对应的数字忆阻混沌电路，具体的模块参数及设计步骤如下：
(1)忆阻混沌系统的初始状态值0 0 0 0 0(x，y，z，μ0)=(0.001，0.01，0，0，0)通过Constant模块依次引入5个数据选择器的输入端口；
(2)Signal Pulse模块为整个电路系统提供时钟源，保证了数据的稳定性和运算的同步性；
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图3.37 基于忆阻器的蔡氏微弱信号检测DSP系统算法流程
(3)Product是乘法器模块，二端口输入，可进行数乘运算和二次项相乘运算，使用从信号源继承的隐式输入端口数据宽度；
(4)由于Output模块中设置的输出位数是有限的，那么在前级的乘法器模块中需要反复测试乘法器有效位数，以保障设置的乘法器模块位数同时满足系统的运算精度和尽可能少占用硬件资源两个要求；
(5)相应地，在Alt Bus模块中，数据类型设置为Signed Integer，整数部分设置4位；
(6)考虑到具体硬件系统中选取的D/A 芯片转换精度为12位，在不影响系统输出精度的前提下，Output模块整数部位设置4位；
(7)x，y，z，ω，μ 分别对应为整个电路系统的五个输出端口，选定其中两个信号接入XYGraph(图示仪)模块运行仿真后，得到如图3.38所示的混沌相位图。
系统上电初始化后，在CCS编译器中用C语言设置与MATLAB仿真一样的系统参数，初值为(x0，y0，z0，w0)=(0，0.01，0，0)，步长为h=0.001。在不加待测信号前，设置代码参数使系统相图为临界混沌状态，如图3.38a所示；加入一个正弦信号s(t)=0.01·sin(t)到DSP的输入接口，经过A/D模数转换器采样后，由DSP进行信号处理，得到此时波形呈现出周期轨迹(图3.38b)。DSP实现结果证明了基于三次磁控忆阻器的蔡氏混沌检测系统的可行性。
图3.38 DSP检测结果
(a)未加信号，临界混沌状态；(b)加入待测信号，周期状态
为了验证系统DSP实现的检测效果，通过多次数值实验，得到DSP模型中系统的临界阈值为0.0099990093，不断减少待测信号的幅值，直到系统的状态不会由临界混沌状态跳转到周期状态，得到忆阻器蔡氏混沌微弱信号检测系统DSP实现的最高检测精度为0.00000000015(1.5×10-10)，尽管这一精度比MATLAB仿真中逊色，但仍比基于其他混沌振子的检测模型高上许多。
值得指出的是，求解微分方程时，MATLAB采用四阶龙格-库塔法求解相对方便，精度更高，而DSP实现中，为了方便计算，程序中采用了欧拉法。由于数值计算法以及处理器位数的区别，DSP模型的临界阈值与仿真模型相比有一定的偏差，检测精度也产生了一定的损失；而且示波器显示的吸引子相图与电脑仿真出来的在相空间的分布上存在一定的差异，但混沌和周期状态的差别仍然非常明显，因此对微弱信号的检测细微影响可以忽略不计。
利用忆阻混沌电路测量微弱信号内容分为两部分。第一部分详细介绍基于三次磁控忆阻器的蔡氏混沌微弱信号检测系统的模拟电路设计以及实现，通过线性运算、积分运算等功能模块的设计思想，设计出三次磁控忆阻器模型的等效电路，并构造出基于此忆阻器的改进蔡氏模拟电路，通过电路仿真和实际电路实验证实了忆阻器蔡氏系统用于微弱信号检测的物理可实现性；第二部分采用DSP实验平台，设计忆阻器蔡氏混沌微弱信号检测系统的硬件框架和算法流程，结果表明电路的DSP实现也可成功地检测出微弱信号，拓展了基于混沌理论的微弱信号检测系统的实现方式和应用范围。
