基于氣體傳感器的真隨機數發生器及真隨機數生成裝置的制作方法

本實用新型涉及信息安全、系統仿真和隨機過程領域，尤其涉及一種真隨機數發生器及真隨機數生成裝置。

背景技術：

產生隨機數有多種不同的方法，基于這些方法的軟件或裝置即隨機數生成器。隨機數最重要的特性是它本次產生的數字與之前產生的數字并無關系。真正的隨機數是使用自然現象產生的，無法人為的預測與控制，這樣的隨機數發生器叫做真隨機數發生器，它們的缺點是技術要求比較高。

在實際應用中往往使用偽隨機數就可以了，這些數列是“似乎”隨機的數，實際上它們是通過一個固定的、可以重復的計算方法產生的。它們不是真正地隨機，因為它們實際上是可以計算出來的，但是它們具有類似于隨機數的統計特征。這樣的發生器叫做偽隨機數發生器。在真正關鍵性的應用中，比如在密碼學中，使用真正的隨機數會更加安全；比如在一些系統仿真過程中，使用真正的隨機數會使仿真的結果更具有實際意義。在特殊的應用領域，真隨機數的作用不是偽隨機數可以替代的。

計算機產生的隨機數都是偽隨機數，對于需要產生真隨機數的應用場景往往不能滿足；而產生真隨機數的裝置，如采用物理隨機過程產生的真隨機數產生器，往往存在組成復雜，成本也高，便攜性差，產生隨機數的速度不夠快。

技術實現要素：

本實用新型旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。為此，本實用新型的一個目的在于提出一種基于氣體傳感器的真隨機數發生器。

本實用新型的另一個目的在于提出一種具有該真隨機數發生器的真隨機數生成裝置。

為實現上述目的，一方面，根據本實用新型實施例的基于氣體傳感器的真隨機數發生器，包括：

噪聲發生單元，所述噪聲發生單元包括用以產生具有隨機噪聲的模擬信號的電阻型氣體傳感器；

線性穩壓器，用以為所述噪聲發生單元提供直流工作電壓；

采集器，用于根據所述模擬信號計算所述電阻型氣體傳感器的電阻值，以及將所述電阻值的至少部分數字作為真隨機數輸出。

另外，根據本實用新型上述實施例真隨機數發生器還可以具有如下附加的技術特征：

根據本實用新型的一個實施例，所述噪聲發生單元還包括負載電阻，所述負載電阻的一端與所述電阻型氣體傳感器的一端相連，所述負載電阻的另一端接地，所述電阻型氣體傳感器的另一端與所述線性穩壓器相連，所述負載電阻和所述電阻型氣體傳感器之間的節點與所述采集器的輸入端相連。

根據本實用新型的一個實施例，所述噪聲發生單元為多個，所述采集器具有多個采集通道，多個所述采集通道與多個所述噪聲發生單元一一對應，每個所述采集通道根據對應的所述噪聲發生單元輸出的所述模擬信號計算所述對應的所述噪聲發生單元中電阻型氣體傳感器的電阻值，所述采集器將各個所述電阻值的所述至少部分數字組合作為真隨機數序列輸出。

根據本實用新型的一個實施例，所述至少部分數字為所述電阻值中小數點后的尾數。

根據本實用新型的一個實施例，所述線性穩壓器提供的直流工作電壓為3.3V，所述負載電阻為10KΩ。

另一方面，根據本實用新型實施例的真隨機數生成裝置，包括：

如上所述的真隨機數發生器；

處理單元，與所述真隨機數發生器相連，用于對所述真隨機數發生器輸出的真隨機數按照預定方式組合排列以生成真隨機數列；

輸出接口，與所述處理單元相連，用以將所述真隨機數列輸出至目標設備。

根據本實用新型提供的真隨機數發生器及真隨機數生成裝置，是基于電阻型氣體傳感器與氣體接觸發生化學反應過程中，由于氣體分子吸附/脫附現象引起的電阻型氣體傳感器的電阻發生變化原理實現的，由于電阻型氣體傳感器反應過程中其電阻變化動態范圍從幾十歐姆到幾十兆歐姆之間變化，極微小的環境擾動(如溫度，濕度，氣體分子的種類和濃度的改變)將引起其電阻值的變化超過1歐，化學反應的過程是動態的，具有一定的隨機性；且測量過程中的精度誤差也會造成其電阻測量值的不確定性，計算得到的測量值(單位：歐)的小數部分更加具有不可確定性，使用多個這樣的尾數構成的數字即為真隨機數。同時，本實用新型中采集器的采集速度決定生成真隨機數的速度，所以可以快速的產生真隨機數；而且，其結構簡單，便攜易用，使用電阻型氣體傳感器成本低廉。

附圖說明

圖1是本實用新型真隨機數發生器的方框圖；

圖2是本實用新型一個實施例真隨機數發生器的示意圖；

圖3是本實用新型另一個實施例真隨機數發生器的示意圖；

圖4是本實用新型實施例真隨機數生成裝置的示意圖。

本實用新型目的的實現、功能特點及優點將結合實施例，參照附圖做進一步說明。

具體實施方式

下面詳細描述本實用新型的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本實用新型，而不能理解為對本實用新型的限制。

在本實用新型的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內”、“外”、“順時針”、“逆時針”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本實用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本實用新型的限制。

此外，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特征。在本實用新型的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。

在本實用新型中，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本實用新型中的具體含義。

參照圖1所示，本實用新型實施例提供了一種真隨機數發生器100，包括噪聲發生單元10、線性穩壓器11及采集器12。

具體的，噪聲發生單元10包括用以產生具有隨機噪聲的模擬信號的電阻型氣體傳感器101，也就是說，噪聲發生單元10采用電阻型氣體傳感器101產生具有隨機噪聲的模擬信號。

由于電阻型氣體傳感器101具有以下隨機因素，其一、電阻型氣體傳感器101的電阻的隨機熱噪聲和線性穩壓器提供的電壓具有波紋導致的隨機因素；其二、電阻型氣體傳感器101與氣氛接觸發生化學反應過程中的電阻值的微小波動的不可確定性導致的隨機因素；其三、電阻型氣體傳感器101與氣氛發生化學反應過程中的電阻值的變化受溫濕度影響導致的隨機因素；其四、采用計算得到的電阻型氣體傳感器101的電阻值的小數點后的尾數部分的隨機因素。所以，根據上述隨機因素計算得到的多個電阻型氣體傳感器101的電阻值具有隨機性。

線性穩壓器11用以為所述噪聲發生單元10提供直流工作電壓。

采集器12用于根據所述模擬信號計算所述電阻型氣體傳感器101的電阻值，以及將所述電阻值的至少部分數字作為真隨機數輸出。

也就是說，采集器12采集噪聲發生單元10輸出的帶有隨機噪聲的模擬信號經過模數轉換得到數字信號，并根據該數字信號計算出電阻型氣體傳感器101的電阻值。如上所述，由于根據上述隨機因素計算得到的電阻型氣體傳感器101的電阻值具有隨機性，電阻值的變化是隨機的，所以，可以利用電阻值中的數字作為真隨機數。

作為優選地，所述至少部分數字為所述電阻值中小數點后的尾數。該電阻值通常是一個包含小數部分的有理數，可以精確到小數點后幾位(例如后兩位)，而且，對于小數部分的數字的隨機性更好，因此，在本實用新型的一個示例中，可以取小數點后幾位的數字作為隨機數。

根據本實用新型提供的基于氣體傳感器真隨機數發生器100，是基于電阻型氣體傳感器101與氣體接觸發生化學反應過程中，由于氣體分子吸附/脫附現象引起的電阻型氣體傳感器101的電阻發生變化原理實現的，由于電阻型氣體傳感器101反應過程中其電阻變化動態范圍從幾十歐姆到幾十兆歐姆之間變化，極微小的環境擾動(如溫度，濕度，氣體分子的種類和濃度的改變)將引起其電阻值的變化超過1歐，化學反應的過程是動態的，具有一定的隨機性；且測量過程中的精度誤差也會造成其電阻測量值的不確定性，計算得到的測量值(單位：歐)的小數部分更加具有不可確定性，使用多個這樣的尾數構成的數字即為真隨機數。同時，本實用新型中采集器12的采集速度決定生成真隨機數的速度，所以可以快速的產生真隨機數；而且，其結構簡單，便攜易用，使用電阻型氣體傳感器101成本低廉。

參照圖2所示，本實用新型的一個實施例中，噪聲發生單元10還包括負載電阻102，所述負載電阻102的一端與所述電阻型氣體傳感器101的一端相連，所述負載電阻102的另一端接地，所述電阻型氣體傳感器101的另一端與所述線性穩壓器11相連，所述負載電阻102和所述電阻型氣體傳感器101之間的節點與所述采集器12的輸入端相連。

也就是說，可以通過采集器12采集負載電阻102和電阻型氣體傳感器101之間的節點的電壓Vout，再根據線性穩壓器11提供的直流工作電壓Vref、采集器12采集負載電阻102和電阻型氣體傳感器101之間的節點的電壓Vout及負載電阻102的電阻值R_L，計算得到電阻型氣體傳感器101的電阻值RS，具體的，根據歐姆定律可知：

R_S＝(Vref-Vout)/Vout*R_L。

可以理解的是，電阻型氣體傳感器101的數量可以根據具體應用中所需的真隨機數的數量確定。參照圖3所示，在本實用新型的一個實施例中，噪聲發生單元10為多個，所述采集器12具有多個采集通道，多個所述采集通道與多個所述噪聲發生單元10一一對應，每個所述采集通道根據對應的所述噪聲發生單元10輸出的所述模擬信號計算所述對應的所述噪聲發生單元10中電阻型氣體傳感器101的電阻值，所述采集器將各個所述電阻值的所述至少部分數字組合作為真隨機數序列輸出，也即是，真隨機數序列是由多個電阻值的小數點后尾數組成。

也就是說，采用多個噪聲發生單元10并聯形成噪聲發生單元陣列，并且每個噪聲發生單元10對應利用一個采集通道采集其模擬信號，并根據該模擬信號計算出該噪聲發生單元10中電阻型氣體傳感器101的電阻值。如此，多個噪聲發生單元10即可形成更多的真隨機數，以便于滿足需要真隨機數的數量較大的場合。如圖3示例中，若以每個采樣通道采集的模擬信號計算得到的電阻值的小數點后兩位數字作為真隨機數序列的組成部分，則四個采集通道就可以形成一個八位隨機數。

更為有利的，線性穩壓器11提供的直流工作電壓為3.3V，所述負載電阻102為10KΩ。

參照圖4所示，本實用新型實施例提供了一種真隨機數生成裝置200，包括處理單元21、輸出接口22及如上述實施例所述的真隨機數發生器100。

處理單元21與所述真隨機數發生器100相連，用于對所述真隨機數發生器100輸出的真隨機數按照預定方式組合排列以生成真隨機數列。

輸出接口22與所述處理單元21相連，用以將所述真隨機數序列輸出至目標設備。該輸出接口22可以是USB接口等。

也就是說，真隨機數發生器100生成的多個真隨機數通過處理單元21按照預定邏輯排列形成真隨機數列，該真隨機數列再通過輸出接口22輸出至目標設備。例如圖4示例中，四個采集通道形成的四個真隨機數(每個真隨機數為2位)通過處理單元21進行排列后即可形成一個真隨機數序列(共8位數)。

根據本實用新型提供真隨機數生成裝置200，具有上述真隨機數發生器100，該真隨機數發生器100是基于電阻型氣體傳感器101與氣體接觸發生化學反應過程中，由于氣體分子吸附/脫附現象引起的電阻型氣體傳感器101的電阻發生變化原理實現的，由于電阻型氣體傳感器101反應過程中其電阻變化動態范圍從幾十歐姆到幾十兆歐姆之間變化，極微小的環境擾動(如溫度，濕度，氣體分子的種類和濃度的改變)將引起其電阻值的變化超過1歐，化學反應的過程是動態的，具有一定的隨機性；且測量過程中的精度誤差也會造成其電阻測量值的不確定性，計算得到的測量值(單位：歐)的小數部分更加具有不可確定性，使用多個這樣的尾數構成的數字即為真隨機數。同時，本實用新型中采集器12的采集速度決定生成真隨機數的速度，所以可以快速的產生真隨機數；而且，其結構簡單，便攜易用，使用電阻型氣體傳感器成本低廉。

在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本實用新型的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。

盡管上面已經示出和描述了本實用新型的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本實用新型的限制，本領域的普通技術人員在不脫離本實用新型的原理和宗旨的情況下在本實用新型的范圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。