基于气体传感器的真随机数发生器及真随机数生成装置的制作方法

本实用新型涉及信息安全、系统仿真和随机过程领域，尤其涉及一种真随机数发生器及真随机数生成装置。

背景技术：

产生随机数有多种不同的方法，基于这些方法的软件或装置即随机数生成器。随机数最重要的特性是它本次产生的数字与之前产生的数字并无关系。真正的随机数是使用自然现象产生的，无法人为的预测与控制，这样的随机数发生器叫做真随机数发生器，它们的缺点是技术要求比较高。

在实际应用中往往使用伪随机数就可以了，这些数列是“似乎”随机的数，实际上它们是通过一个固定的、可以重复的计算方法产生的。它们不是真正地随机，因为它们实际上是可以计算出来的，但是它们具有类似于随机数的统计特征。这样的发生器叫做伪随机数发生器。在真正关键性的应用中，比如在密码学中，使用真正的随机数会更加安全；比如在一些系统仿真过程中，使用真正的随机数会使仿真的结果更具有实际意义。在特殊的应用领域，真随机数的作用不是伪随机数可以替代的。

计算机产生的随机数都是伪随机数，对于需要产生真随机数的应用场景往往不能满足；而产生真随机数的装置，如采用物理随机过程产生的真随机数产生器，往往存在组成复杂，成本也高，便携性差，产生随机数的速度不够快。

技术实现要素：

本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的在于提出一种基于气体传感器的真随机数发生器。

本实用新型的另一个目的在于提出一种具有该真随机数发生器的真随机数生成装置。

为实现上述目的，一方面，根据本实用新型实施例的基于气体传感器的真随机数发生器，包括：

噪声发生单元，所述噪声发生单元包括用以产生具有随机噪声的模拟信号的电阻型气体传感器；

线性稳压器，用以为所述噪声发生单元提供直流工作电压；

采集器，用于根据所述模拟信号计算所述电阻型气体传感器的电阻值，以及将所述电阻值的至少部分数字作为真随机数输出。

另外，根据本实用新型上述实施例真随机数发生器还可以具有如下附加的技术特征：

根据本实用新型的一个实施例，所述噪声发生单元还包括负载电阻，所述负载电阻的一端与所述电阻型气体传感器的一端相连，所述负载电阻的另一端接地，所述电阻型气体传感器的另一端与所述线性稳压器相连，所述负载电阻和所述电阻型气体传感器之间的节点与所述采集器的输入端相连。

根据本实用新型的一个实施例，所述噪声发生单元为多个，所述采集器具有多个采集通道，多个所述采集通道与多个所述噪声发生单元一一对应，每个所述采集通道根据对应的所述噪声发生单元输出的所述模拟信号计算所述对应的所述噪声发生单元中电阻型气体传感器的电阻值，所述采集器将各个所述电阻值的所述至少部分数字组合作为真随机数序列输出。

根据本实用新型的一个实施例，所述至少部分数字为所述电阻值中小数点后的尾数。

根据本实用新型的一个实施例，所述线性稳压器提供的直流工作电压为3.3V，所述负载电阻为10KΩ。

另一方面，根据本实用新型实施例的真随机数生成装置，包括：

如上所述的真随机数发生器；

处理单元，与所述真随机数发生器相连，用于对所述真随机数发生器输出的真随机数按照预定方式组合排列以生成真随机数列；

输出接口，与所述处理单元相连，用以将所述真随机数列输出至目标设备。

根据本实用新型提供的真随机数发生器及真随机数生成装置，是基于电阻型气体传感器与气体接触发生化学反应过程中，由于气体分子吸附/脱附现象引起的电阻型气体传感器的电阻发生变化原理实现的，由于电阻型气体传感器反应过程中其电阻变化动态范围从几十欧姆到几十兆欧姆之间变化，极微小的环境扰动(如温度，湿度，气体分子的种类和浓度的改变)将引起其电阻值的变化超过1欧，化学反应的过程是动态的，具有一定的随机性；且测量过程中的精度误差也会造成其电阻测量值的不确定性，计算得到的测量值(单位：欧)的小数部分更加具有不可确定性，使用多个这样的尾数构成的数字即为真随机数。同时，本实用新型中采集器的采集速度决定生成真随机数的速度，所以可以快速的产生真随机数；而且，其结构简单，便携易用，使用电阻型气体传感器成本低廉。

附图说明

图1是本实用新型真随机数发生器的方框图；

图2是本实用新型一个实施例真随机数发生器的示意图；

图3是本实用新型另一个实施例真随机数发生器的示意图；

图4是本实用新型实施例真随机数生成装置的示意图。

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

参照图1所示，本实用新型实施例提供了一种真随机数发生器100，包括噪声发生单元10、线性稳压器11及采集器12。

具体的，噪声发生单元10包括用以产生具有随机噪声的模拟信号的电阻型气体传感器101，也就是说，噪声发生单元10采用电阻型气体传感器101产生具有随机噪声的模拟信号。

由于电阻型气体传感器101具有以下随机因素，其一、电阻型气体传感器101的电阻的随机热噪声和线性稳压器提供的电压具有波纹导致的随机因素；其二、电阻型气体传感器101与气氛接触发生化学反应过程中的电阻值的微小波动的不可确定性导致的随机因素；其三、电阻型气体传感器101与气氛发生化学反应过程中的电阻值的变化受温湿度影响导致的随机因素；其四、采用计算得到的电阻型气体传感器101的电阻值的小数点后的尾数部分的随机因素。所以，根据上述随机因素计算得到的多个电阻型气体传感器101的电阻值具有随机性。

线性稳压器11用以为所述噪声发生单元10提供直流工作电压。

采集器12用于根据所述模拟信号计算所述电阻型气体传感器101的电阻值，以及将所述电阻值的至少部分数字作为真随机数输出。

也就是说，采集器12采集噪声发生单元10输出的带有随机噪声的模拟信号经过模数转换得到数字信号，并根据该数字信号计算出电阻型气体传感器101的电阻值。如上所述，由于根据上述随机因素计算得到的电阻型气体传感器101的电阻值具有随机性，电阻值的变化是随机的，所以，可以利用电阻值中的数字作为真随机数。

作为优选地，所述至少部分数字为所述电阻值中小数点后的尾数。该电阻值通常是一个包含小数部分的有理数，可以精确到小数点后几位(例如后两位)，而且，对于小数部分的数字的随机性更好，因此，在本实用新型的一个示例中，可以取小数点后几位的数字作为随机数。

根据本实用新型提供的基于气体传感器真随机数发生器100，是基于电阻型气体传感器101与气体接触发生化学反应过程中，由于气体分子吸附/脱附现象引起的电阻型气体传感器101的电阻发生变化原理实现的，由于电阻型气体传感器101反应过程中其电阻变化动态范围从几十欧姆到几十兆欧姆之间变化，极微小的环境扰动(如温度，湿度，气体分子的种类和浓度的改变)将引起其电阻值的变化超过1欧，化学反应的过程是动态的，具有一定的随机性；且测量过程中的精度误差也会造成其电阻测量值的不确定性，计算得到的测量值(单位：欧)的小数部分更加具有不可确定性，使用多个这样的尾数构成的数字即为真随机数。同时，本实用新型中采集器12的采集速度决定生成真随机数的速度，所以可以快速的产生真随机数；而且，其结构简单，便携易用，使用电阻型气体传感器101成本低廉。

参照图2所示，本实用新型的一个实施例中，噪声发生单元10还包括负载电阻102，所述负载电阻102的一端与所述电阻型气体传感器101的一端相连，所述负载电阻102的另一端接地，所述电阻型气体传感器101的另一端与所述线性稳压器11相连，所述负载电阻102和所述电阻型气体传感器101之间的节点与所述采集器12的输入端相连。

也就是说，可以通过采集器12采集负载电阻102和电阻型气体传感器101之间的节点的电压Vout，再根据线性稳压器11提供的直流工作电压Vref、采集器12采集负载电阻102和电阻型气体传感器101之间的节点的电压Vout及负载电阻102的电阻值R_L，计算得到电阻型气体传感器101的电阻值RS，具体的，根据欧姆定律可知：

R_S＝(Vref-Vout)/Vout*R_L。

可以理解的是，电阻型气体传感器101的数量可以根据具体应用中所需的真随机数的数量确定。参照图3所示，在本实用新型的一个实施例中，噪声发生单元10为多个，所述采集器12具有多个采集通道，多个所述采集通道与多个所述噪声发生单元10一一对应，每个所述采集通道根据对应的所述噪声发生单元10输出的所述模拟信号计算所述对应的所述噪声发生单元10中电阻型气体传感器101的电阻值，所述采集器将各个所述电阻值的所述至少部分数字组合作为真随机数序列输出，也即是，真随机数序列是由多个电阻值的小数点后尾数组成。

也就是说，采用多个噪声发生单元10并联形成噪声发生单元阵列，并且每个噪声发生单元10对应利用一个采集通道采集其模拟信号，并根据该模拟信号计算出该噪声发生单元10中电阻型气体传感器101的电阻值。如此，多个噪声发生单元10即可形成更多的真随机数，以便于满足需要真随机数的数量较大的场合。如图3示例中，若以每个采样通道采集的模拟信号计算得到的电阻值的小数点后两位数字作为真随机数序列的组成部分，则四个采集通道就可以形成一个八位随机数。

更为有利的，线性稳压器11提供的直流工作电压为3.3V，所述负载电阻102为10KΩ。

参照图4所示，本实用新型实施例提供了一种真随机数生成装置200，包括处理单元21、输出接口22及如上述实施例所述的真随机数发生器100。

处理单元21与所述真随机数发生器100相连，用于对所述真随机数发生器100输出的真随机数按照预定方式组合排列以生成真随机数列。

输出接口22与所述处理单元21相连，用以将所述真随机数序列输出至目标设备。该输出接口22可以是USB接口等。

也就是说，真随机数发生器100生成的多个真随机数通过处理单元21按照预定逻辑排列形成真随机数列，该真随机数列再通过输出接口22输出至目标设备。例如图4示例中，四个采集通道形成的四个真随机数(每个真随机数为2位)通过处理单元21进行排列后即可形成一个真随机数序列(共8位数)。

根据本实用新型提供真随机数生成装置200，具有上述真随机数发生器100，该真随机数发生器100是基于电阻型气体传感器101与气体接触发生化学反应过程中，由于气体分子吸附/脱附现象引起的电阻型气体传感器101的电阻发生变化原理实现的，由于电阻型气体传感器101反应过程中其电阻变化动态范围从几十欧姆到几十兆欧姆之间变化，极微小的环境扰动(如温度，湿度，气体分子的种类和浓度的改变)将引起其电阻值的变化超过1欧，化学反应的过程是动态的，具有一定的随机性；且测量过程中的精度误差也会造成其电阻测量值的不确定性，计算得到的测量值(单位：欧)的小数部分更加具有不可确定性，使用多个这样的尾数构成的数字即为真随机数。同时，本实用新型中采集器12的采集速度决定生成真随机数的速度，所以可以快速的产生真随机数；而且，其结构简单，便携易用，使用电阻型气体传感器成本低廉。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。