一种基于三维忆阻离散映射的随机瞬态功率测试信号产生装置

技术领域

本发明属于功率测试信号技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于三维忆阻离散映射的随机瞬态功率测试信号产生装置。

背景技术

瞬态功率计量是功率分析仪(Power Analyzer，简称PA)最为重要的特色功能之一。在功率分析仪的研发中，通常需要使用任意波形发生器(Arbitrary WaveformGenerator，简称AWG)输出带有随机相位的电压电流信号，以模拟被测设备的动态功率。而商用的任意波形发生器和专用的功率校准源(如Fulke6003A)都不具备随机动态信号输出功能，这对于如功率分析仪、智能电表等电能计量仪器的高精度计量研发和校准是及其不方便的。

在期刊《Measurement Science and Technology》中，2017年01月12日公布了名称为《OOK power model based dynamic error testing for smart electricity meter》的论文，为解决动态误差测试问题，首先构建了一种开关键控(on-off-keying，简称OOK)测试动态电流模型和一个开关键控测试动态负载能源(testing dynamic load energy)模型。然后提出了两类TDLE序列和三种模式的OOK测试动态功率模型。基于这些模型，研发了一种OOK TDLE序列产生设备，并构建了一套动态误差测试系统。使用该测试系统，五类功率计在三中动态功率模式下进行测试，测试结果显示，动态误差与动态功率模式紧密相关，并且测量不确定度低于0.38％。该论文采用采用OOK(on-off-keying)控制信号：

截断测试电流，得到动态负载电流驱动功率表。然后，如图1所示，该方法动态信号为动态电流信号，周期为一个周期，起始相位以及结束相位都是0，不具备完全的随机性，不能实现高精度的具有随机特征的瞬态功率测试信号即瞬态电压和瞬态电流信号的模拟输出。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于三维忆阻离散映射的随机瞬态功率测试信号产生装置，以实现高精度的具有随机特征的瞬态功率测试信号即瞬态电压和瞬态电流信号的模拟输出。

为实现上述发明目的，本发明基于三维忆阻离散映射的随机瞬态功率测试信号产生装置，其特征在于，包括：

时序控制模块，用于对系统时钟进行计数，当达到计数阈值DM_CNT时，其输出即系统使能信号En

三维并联忆阻逻辑斯蒂映射(3Dimensional Parallel bi-Memristor LogisticMap，简称3D-PMLM)模块，用于产生两路伪随机序列，其映射模型为：

其中，a是逻辑斯蒂映射(Logistic Map)的参数，b和c分别是离散忆阻器

当系统使能信号En

同时，三维并联忆阻逻辑斯蒂映射模块启动，三维状态值开始更新时，其输出的更新状态信号EN

波形输出复位模块，用于产生波形输出复位信号DDS

两块波形输出模块，一块用于接收伪随机序列x[P-1:0]，另一块用于接收伪随机序列y[P-1:0]，波形输出复位信号DDS

波形输出模块由DDS模块、输出控制模块以及输出选择模块组成，其中：

DDS模块中有两个寄存器R

输出控制模块中有一计数复位模块、一整数周期计数器以及一小数周期计数器，波形输出复位信号DDS

当波形输出复位信号DDS

记读地址Raddr延迟一个时钟周期的信号即上一个时钟周期的读地址为Raddr_dly，在计数使能信号EN

规则1：如果Raddr_dly＜Raddr，当Raddr_dly≤Iph并且Iph≤Raddr时，CNT

规则2：如果Raddr_dly＞Raddr，当Raddr_dly≤Iph或者Iph≤Raddr时，CNT

当CNT

当CNT

接收到的伪随机序列选取M

规则1：如果Raddr_dly＜Raddr，当Raddr_dly≤Eph并且Eph≤Raddr时，DDS选择信号SEL

规则2：如果Raddr_dly＞Raddr，当Raddr_dly≤Eph或者Eph≤Raddr时，DDS选择信号SEL

输出选择模块，用于根据DDS选择信号SEL

两个DAC，分别对两个波形输出模块的输出进行数模转化，得到两路信号作为随机特征的瞬态功率测试信号即瞬态电压和瞬态电流信号。

本发明的目的是这样实现的。

本发明基于三维忆阻离散映射的随机瞬态功率测试信号产生装置，利用三维并联忆阻逻辑斯蒂映射模块产生两路伪随机序列。本发明中提出的三维并联忆阻逻辑斯蒂映射不仅可以显著提升1维的忆阻器逻辑斯蒂映射(Memristive Logistic Map，简称MLM)的混沌复杂性，而且可以极大地扩展其混沌范围，同时，性能评估表明，本发明提出的三维并联忆阻逻辑斯蒂映射比现有2D忆阻逻辑斯蒂映射在大得多的混沌范围内更具有鲁棒的超混沌行为。同时，本发明产生的两路伪随机序列与DDS结合，能产生周期、起始相位以及结束相位完全随机的瞬态功率测试信号，方便电能计量仪器的高精度计量研发和校准。

附图说明

图1是现有技术中动态电流信号产生过程的时序图；

图2是本发明基于三维忆阻离散映射的随机瞬态功率测试信号产生装置一种具体实施方式的原理示意图；

图3是图1所示具体实施方式的控制时序图；

图4是三种Logistic Map模型的相位空间轨迹和直方图，其中，(a)为MLM模型的相位空间轨迹图，(b)为2D-DMLM模型的相位空间轨迹图，(c)为3D-PMLM模型的相位空间轨迹图，(d)为MLM模型的直方图，(e)为2D-DMLM模型的直方图，(f)为3D-PMLM模型的直方图。

图5是给出了情形1下通道1、2的波形图，其中，(a)为多个更新周期的通道1、2的波形图，(b)为序号3情况下测量通道1(CH1)的波形图，(c)为序号3情况下测量通道2(CH2)的波形图，d)为序号5情况下测量通道1(CH1)的波形图，(e)为序号5情况下测量通道2(CH2)的波形图；

图6是给出了情形2下通道1、2的波形图，其中，(a)为多个更新周期的通道1、2的波形图，(b)为序号3情况下测量通道1(CH1)的波形图，(c)为序号3情况下测量通道2(CH2)的波形图，d)为序号5情况下测量通道1(CH1)的波形图，(e)为序号5情况下测量通道2(CH2)的波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图2是基于三维忆阻离散映射的随机瞬态功率测试信号产生装置一种具体实施方式的原理示意图。

在本实施例中，如图2所示，本发明基于三维忆阻离散映射的随机瞬态功率测试信号产生装置包括时序控制模块1、三维并联忆阻逻辑斯蒂映射模块(以下简称3D-PMLM模块)2、波形输出复位模块3、两块波形输出模块4、5(通道CH1、CH2)以及双通道DAC模块6。本发明基于FPGA实现。

时序控制模块1用于对系统时钟进行计数，当达到计数阈值DM_CNT时，其输出即系统使能信号En

在本实施例中，计数阈值DM_CNT由上位机发送给时序控制模块1。计数阈值DM_CNT的计算公式如下：

DM_CNT＝t

其中，T

3D-PMLM模块2用于产生两路伪随机序列x[P-1:0]、y[P-1:0]。3D_PMLM模块2中的映射模型为：

其中，a是逻辑斯蒂映射(Logistic Map)的参数，b和c分别是离散忆阻器

当系统使能信号En

同时，3D-PMLM模块2启动，三维状态值开始更新时，其输出的更新状态信号EN

在本实施例中，3D-PMLM模块2在FPGA中实现。为了进一步节省FPGA中有限的IP核，首先本发明中对提出的映射模型在数学上进行优化，优化后的模型为：

其中，参数g

如图1所示，3D-PMLM模块2按照上述优化后的模型采用乘法器、加法器构建，然后，将得到的n+1时刻(FPGA系统时钟)的三维状态值x

在本实施例中，谱熵(Spectral entropy，SE)、排列熵(PE)、相关维(CorDim)和Kaplan-Yorke维(K-YDim)被用于评估超混沌随机序列的性能。本发明提出的3D_PMLM与现有一维的忆阻器逻辑斯蒂映射(Memristive Logistic Map，简称MLM)、二维离散忆阻器耦合逻辑斯蒂映射(Two-Dimensional Discrete Memristor Coupled Logistic Map，简称2D-DMLM)进行比较。比较的序列的长度被设置为10e5，比较采用过程中，MLM模型采用的参数为μ＝0.1、a＝-1、b＝1、k＝1.87，初始状态值为(x

表1

由表1可见，本发明中提出3D-PMLM模型产生伪随机序列(超混沌序列)不仅可以显著提升1维的MLM模型的混沌复杂性，而且可以极大地扩展其混沌范围，同时，性能评估表明本发明提出的3D-PMLM比现有2D-DMLM在大得多的混沌范围内更具有鲁棒的超混沌行为。

此外，MLM、2D-DMLM以及3D-PMLM三种模型在相空间中的轨迹分别如图4(a)-4(b)所示。可以看出，所有混沌吸引子都分布在一个有界区域内，具有复杂的分形结构。三种模型产生序列x

为了进一步验证本发明中的3D-PMLM模块输出的伪随机序列(PRNs)的随机性，采用美国国家标准与技术研究院(NIST)颁布的SP800-22测试标准方法进行测试。该试验由15个子试验组成。每个子测试可以产生两个结果，P值和通过的二进制序列的比例。P值是衡量离散序列性能的重要指标，当P值大于0.01时，通过随机性检验，否则，离散序列不是随机的。由3D-PMLM模块迭代4e8次后，序列区间[1e8,4e8]的状态值转换二进制序列。在NISTSP800-22测试中，设置序列长度为1e6，序列数量为1000，对应的测试结果如表2所示。可以看出，生成的伪随机序列可以通过所有子测试，进一步说明了本发明所提出的3D-PMLM模型的高复杂性和高可用性。

表2

在本实施例中，如图1所示，波形输出复位模块3用于产生波形输出复位信号DDS

两块波形输出模块4、5，一块用于接收伪随机序列x[P-1:0]，另一块用于接收伪随机序列y[P-1:0]，波形输出复位信号DDS

在本实施例中，波形输出模块4(波形输出模块5相同，图中未画出)由DDS模块401、输出控制模块402以及输出选择模块403组成，其中：

DDS模块401中有两个寄存器R

波形输出复位信号DDS

输出控制模块402中有一计数复位模块、一整数周期计数器以及一小数周期计数器，波形输出复位信号DDS

当波形输出复位信号DDS

记读地址Raddr延迟一个时钟周期的信号即上一个时钟周期的读地址为Raddr_dly，在计数使能信号EN

规则1：如果Raddr_dly＜Raddr，当Raddr_dly≤Iph并且Iph≤Raddr时，CNT

规则2：如果Raddr_dly＞Raddr，当Raddr_dly≤Iph或者Iph≤Raddr时，CNT

当CNT

当CNT

接收到的伪随机序列选取M

规则1：如果Raddr_dly＜Raddr，当Raddr_dly≤Eph并且Eph≤Raddr时，DDS选择信号SEL

规则2：如果Raddr_dly＞Raddr，当Raddr_dly≤Eph或者Eph≤Raddr时，DDS选择信号SEL

输出选择模块403用于根据DDS选择信号SEL

双通道DAC模块6中有两个DAC，分别对两个波形输出模块4、5的输出进行数模转化，得到两路信号作为随机特征的瞬态功率测试信号即瞬态电压和瞬态电流信号。

图3是图1所示具体实施方式的控制时序图。

综上所述，完整的控制时序如图3所示，各个时间应满足的关系如下所示。

各时间对应的定义如表3所示，

表3

在本实施例中，根据3D-PMLM模块生成伪随机序列选取控制字如表3所示。

表4

在本实施例中，将波形输出模块4作为瞬态电压信号的波形输出模块，记为通道1(CH1)，将波形输出模块5作为瞬态电流信号的波形输出模块，记为通道2(CH2)。表1中，起始相位控制字Iph、结束相位控制字Eph用二进制数表示，周期数控制字NP用十进制整数表示，TNP为总的周期数。从表3可以看出，选取的控制字随机变化且无周期性。

将表4选取的控制字分别用到情形1：输出瞬态电压电流信号频率f

图5是给出了情形1下通道1、2的波形图，其中，(a)为多个更新周期的通道1、2的波形图。对于情形1，如图5(b)、(c)所示，对于序号3，通道1(CH1)、通道2(CH2)的保持时间t

类似地，图6是给出了情形2下通道1、2的波形图，其中，(a)为多个更新周期的通道1、2的波形图。对于情形2，如图6(b)、(c)所示，对于序号3，通道1(CH1)、通道2(CH2)的保持时间t

不同控制字和输出频率下输出信号的保持时间t

表5

从表5可以看出，可以看出，本发明可以产生高精度的具有随机特征的瞬态功率测试信号即瞬态电压和瞬态电流信号的模拟输出。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。