基于单片机的混沌信号发生器.doc
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1、教学单位 宝鸡文理学院 学生学号 201091044024 编 号 本科毕业论文(设计)题目 基于单片机的logistic混沌信号的产生及应用 学生姓名 王帅 专业名称 测控技术与仪器 指导教师 吕宏强 2014 年 5 月 7 日 基于单片机的logistic混沌信号的产生及应用摘要:混沌来自于非线性动力系统,而动力系统描述任意随时间发展变化的过程。这样的系统产生于生活的各个方面。人们把在某些确定性非线性系统中,不需要附加任何随机因素,由于系统内部非线性的相互作用产生的类随机现象称为混沌。混沌现象的发现使人们认识到客观事物的运动存在更为普遍意义的形式,及无序的非线性的混沌,它已经成为确定论和
2、概率论彼此之间认识的桥梁。本设计主要是利用目前被广为采用的离散混沌映射logistic映射,产生随机信号,然后介绍了混沌映射在实际中的一些应用。关键词:信号发生器;混沌现象;AT89S52单片机;logistic混沌信号;Production of logistic chaotic signal based on single chip microcomputer and its applicationABSTRACT:From the nonlinear dynamic system, chaos dynamic system describes the process of making
3、any changes over time. Such a system in all aspects of life. People in some uncertain nonlinear systems, do not need to attach any random factors, because the system nonlinear interactions within class called chaos random phenomenon. The discovery of chaos phenomenon make people realize that the mov
4、ement of the objective things more common existence significance, in the form of nonlinear chaotic and disorderly, it has become a certain theory and probability theory bridge of understanding between each other. This design mainly is to use the discrete chaotic mapping logistic in use widely, rando
5、m signal is produced. Then some of the chaotic mapping in the actual application are introduced. Keywords: chaotic system; AT89S52 SCM; logistic chaotic system; III目 录第1章 绪论- 1 -1.1混沌学的发展历史- 1 -1.2混沌电子电路的发展及研究现状- 2 -1.3信号发生器- 3 -1.4 信号发生器中的数模转换- 4 -1.5 研究背景及其意义- 6 -第2章 混沌理论基础- 7 -2.1混沌的基本概念- 7 -2.1.
6、1混沌的定义- 7 -2.1.2混沌的有关名词- 7 -2.1.3混沌的特征- 8 -2.1.4通向混沌的道路- 9 -2.2混沌系统的研究方法- 10 -第3章 基于单片机的混沌信号发生器的设计- 13 -3.1基于AT89S52单片机的一维混沌系统信号发生器的设计- 13 -3.1.1 AT89S52 单片机介绍- 14 -3.1.2 DAC0832 介绍- 16 -3.1.4 Logistic混沌信号发生器电路设计- 20 -第4章:混沌理论在通信中的应用- 23 -4.1 混沌控制及同步在通信领域中运用- 23 -参考文献- 25 -致 谢- 27 -第 1 页 共 34 页第1章 绪
7、论1.1混沌学的发展历史非线性科学是一门研究非线性现象共性的基础科学,其研究涉及对确定性与随机性,偶然与必然,有序与无序,量变与质变,整体与局部等数学范畴和哲学概念的再认识。混沌理论是非线性科学最重要的成就之一。“混沌”的发现冲破了传统的决定性观念,著名物理学家福特(J.Ford)认为混沌的发现是继相对论、量子力学之后,20世纪物理学的第三次革命。所谓混沌是指在确定性系统中出现的一种貌似无规则、类似随机的现象,是非线性动力学系统所特有的一种运动形式。半个世纪以来,人们对混沌现象的自然规律及其在自然科学和社会科学中的表现有了广泛而深刻的认识,现在,人们已经把混沌作为一门应用技术来研究。由于混沌理
8、论在信息科学、医学、生物、工程等领域具有很大的应用潜力及发展前景,结合日益发达的计算机技术,使得它成为学术研究焦点。混沌理论基础可追溯到19世纪末创立的定性理论,但真正得到发展是在20世纪70年代以后,尤其是80年代以后,混沌的研究渐成燎原之势。1903年,法国数学家Poincare在他的科学与方法一书中提出Poincare猜想,指出三体问题中,在一定范围内其解是随机的。实际上这是一种保守系统中的混沌,从而Poincare成为世界上最先了解混沌存在可能性的第一位学者。1960年前后,非线性科学得到突飞猛进的发展,Kolmogorov与Arnold及Moser深入研究了Hamiton系统(或保守
9、系统)的稳定性,得出了著名的KAM定理,KAM定理为揭示Hamiton系统中KAM环面的破坏以及混沌运动奠定了基础。1963年,美国气象学家Lorenz在大气科学杂志上发表了决定性的非周期流一文,给出混沌的第一个例子。在Lorenz的天气模型中,他给出一个形象的比喻:“巴西的一只蝴蝶扇动几个翅膀,可能会在美国得克萨斯州引起一场龙卷风”,这就是著名的“蝴蝶效应”。1964年,Hemon等人发现了Hemon吸引子,Ruelle和Takens提出“奇怪吸引子”的名词,为20世纪70年代混沌理论的研究做好了重要的数学理论准备。1975年,中国学者李天岩和美国数学家J.约克(Yorke)发表了周期3蕴含
10、混沌的著名论文,被认为是混沌的第一次正式表达。20世纪80年代,混沌科学得到进一步发展,90年代,混沌科学与其他学科相互渗透,打破了各门学科的界限。从此,混沌在工程、数学、物理、化学、生物、医学、经济以至社会科学等众多领域蓬勃开展,已提出了多种控制混沌的方法,诸如参数扰动方法、纳入轨道和强迫迁徙方法、工程反馈控制方法以及混沌同步等等。在理论上,非线性动力学关于分叉、混沌、稳定流形等也有较深入的研究。1.2混沌电子电路的发展及研究现状八十年代以来,混沌研究已发展成为一个具有明确的研究对象和基本课题、独特的概念体系和方法论框架的学科。随着相关理论的不断完善,混沌的研究也越来越深入。直到目前,有关非
11、线性系统中混沌产生的机制、产生混沌的系统等仍是研究的热点内容之一。虽然几乎在所有的科学领域都发现了混沌现象,但到目前为止最完美的混沌曲线还是在混沌电路中实现的。这一方面是由于电路学是被研究得最为透彻、理论最为完善的领域之一;另一方面,电路中各元器件的参数可以很方便地改变,人们可以用最低的成本从各个角度研究混沌。80年代初,P.Linsay 通过对变容二极管的二阶非自治电路的研究,在实际物理系统中验证了Feigenbaum的倍周期分岔通向混沌的理论。1983年,加州伯克利大学的蔡少棠(L.O.Chua)教授提出了一种自治型混沌电路“蔡氏电路”(chuas circuit),“蔡氏电路”中的关键元
12、件是非线性电阻,由于它的伏安特性是分段线性函数,所以导致了混沌、尤其是奇异吸引子的各种形态。随着对混沌认识的不断加深,人们在对混沌现象、产生机制等进一步研究的同时,逐步转向混沌应用的研究。目前,混沌电子电路的应用主要有以下几方面:1混沌通信这主要是因为混沌对初始条件和参数极端敏感,频谱类似噪声,有极好的随机性,特别是目前的数字通信,利用数字混沌进行保密通信有着其它保密系统所不能比拟的性能。2电力电子电路混沌现象对于电气系统或者电子系统来说,许多学者对电气系统和电子系统的混沌现象进行了初步地研究。美国科学家Kopell将一个三机系统变换为一个两自由度系统,用Melnikov方法研究混沌现象,开创
13、了一个崭新的研究领域。E.Konbclh等人研究了单机直流发电机中的径向扩散磁场电流时,所建立的电机模型可以简化为类Lorenz模型。在电源调制系统中,如果开关控制被反馈控制所支配,DC-DC变频电路就会出现各种分岔和混沌行为。尤其在广泛使用的高频脉宽调制(PWM)电路中,大量混沌现象己经被数学仿真和实验模拟所证实。3其它领域混沌信号发生器及其集成化研究除了保密通信、电力电子领域以外,混沌电路还被用字迹识别、手语识别、弱信号检测等。1.3信号发生器 信号发生器是提供各种测量所需信号的仪器,它是一种常用的信号源,广泛应用于电子电路自动控制和科学实验等领域。在分析电子线路时,常常需要了解输出信号与
14、输入信号之间的关系,为此信号发生器产生一个信号来激励系统,一遍观察分析它对激励信号的反应。自十九世纪六十年代以来,信号发生器有了迅速的发展。出现了函数发生器 扫频信号发生器 合成信号发生器 程控信号发生器等新种类,各类信号发生器的主要性能指标也都有了大幅度的提高,同时在简化机械结构 小型化 多功能等方面也有了显著的进展。 信号发生器是一种能产生标准信号的电子仪器,是工业生产和电工 电子实验中常用的电子仪器之一。信号发生器种类较多,性能各有差异但它们都可以产生不同频率的正弦波,调幅波调频波信号,以及各种频率的方波 三角波 锯齿波和正负脉冲信号等。利用信号发生器输出的信号,可以对元器件的性能及参数
15、进行测量,还可以对电工和电子产品进行指数验证,参数调整及性能鉴定。在多数电路传递网络中,电容与电感组合电路及信号调制器的频率,相位的检测都可以得到广泛的应用。首信号发生器可以分为通用和专用两大类。专用信号发生器主要是为了某种特殊的测量目的而研制的,如电视信号发生器,编码脉冲信号发生器等。其次信号发生器按输出又可以分为正弦波形发生器,脉冲信号发生器,函数发生器和任意波形发生器等。按其产生频率的方法又可以分为谐振法和合成法两种。传统的信号发生器都采用谐振法,即用具有频率选择性的回路来产生正弦震荡,获得所需频率,目前多数信号发生器是通过频率合成技术获得所需的频率,利用频率合成技术获得所需信号发生器,
16、通常被称为合成信号发生器。合成信号发生器是用频率合成器代替信号发生器的主震器,它既有一般信号发生器良好的输出特性和调制特性,又具有频率合成器的高稳定性高分辨力的优点,同时输出信号的频率电平,调制深度等均可程控。信号发生器按其频率的高低可分为:超低频信号发生器,低频信号发生器,高频信号发生器,超高频信号发生器,微波信号发生器;按调制方式的不同可分为:调频信号发生器,调幅信号发生器,调箱信号发生器,脉冲调制信号发生器。单片机智能信号发生器目前可直接数字合成,能够产生任意波形的信号,精度高,可程控,便于与其他设备接口构成各种系统。还有基于USB2.0的虚拟波形信号发生器,也可产生任意波形。本次设计的
17、是一个可以产生混沌信号的信号发生器。信号发生器的应用非常广泛,种类也相当频繁。可广泛应用于电子信息,机械交通地质航天航空等专业,在教学科研,生产工程等诸多领域应用非常广泛。其次信号发生器按输出波形又可以分为正弦波形发生器在实际应用中,低频信号发生器用来产生1HZ_1MHZ的低频信号,这种信号发生器在电子线路与系统的设计,测量和维修中的应用最为广泛。随着电子技术的迅速发展,对信号源的要求不断提高。不但要求它的频率稳定性和准确度高,而且还要求能方便的改变频率。石英晶体振荡器的频率稳定度和准确度是很高的,但改变频率不方便,因此它只适用于某一同定频率场合,LC振荡器虽然改换频率方便,但稳定度和准确度又
18、不够高。1.4 信号发生器中的数模转换数模转换器是一种将输入的数字信号转换成模拟信号输出的电路或器件,它被广泛的应用在信号采集和处理,数字通信,自动检测,自动控制和多媒体等领域。无论在工业生产还是科学研究中,常常要对某些参数进行采集,加工和控制,他们往往是非电的模拟量,例如声 光 磁 热 和机械参数等。为了用电子技术处理这些信息,先要通过传感器把这些非电信号变换成相应的电信号。随着数字技术的迅速发展和成熟,尤其是微处理器的迅速发展和广泛应用,使数字信号的大量存储,快速正确的处理和控制成为很容易的事,因而用数字技术处理模拟信号已越来越受到重视。方法是先把模拟电信号变换为数字信号,再利用数字技术加
19、工处理,处理结果根据需要再变换为模拟电信号,以适应后面显示或执行机构的要求,实现对模拟信号的显示或控制。例如工业生产中常常需要对系统的温度参数进行控制,当采用数字系统实现其功能时,先用热电偶或其他温度传感器把系统温度转换成电压,经放大和滤波等预处理,用模数转换器把它变换成对应的数字量,再送入数字系统处理,根据系统情况和控制要求产生的处理结果变换为对应的模拟信号,再送回模拟系统,以实现对模拟系统工作状态的检测和测量。因此,数模转换器是数字电子系统和模拟电子系统之间常用的接口电路。数模转换器的发展经历了电子管,晶体管到集成电路的过程。40年代后期,人们开始了数字通信的研究和实践,例如研究脉冲码调制
20、式通信。它要求发送部分能将所要传送的声音,图像等连续变换的模拟量转换成数字形式发送出去,而信号接收部分能把接收到的数字信号还原成声音,图像。于是研究由电子管组装而成的数模转换器和模数转换器,使这种可靠和经济的数字通信得以实现。随着晶体管工艺的发展和成熟。到50年代后期,转换器中的电子管逐步由晶体管替代,使转换器的体积和重量大大减小。数字计算机的兴起 发展和应用领域的不断扩大,促进了集成电路和转换技术的迅速发展。到60年代末期,构成数模转换器的一些主要功能单元电路,如基准电压源,模拟开关,运算放大器等已制成半导体集成电路。同时薄膜集成电路和厚膜集成电路也有很大的发展。70年代初,所有元件那被集成
21、在一个芯片上的单片集成数模转换器研制成功。它标志着数模转换器真正达到了工业化大批量生产的阶段。此后,转换器得到迅速发展。性能不断提高。工艺上的进一步发展,产生了标准双极型工艺和CMOS工艺结合起来的组合技术,CMOS工艺的集成电路 功率小 集成度高,制成的模拟开关有双向特性。在数模转换器的功能方面,不但有一般功能的,还有为一些特定领域研制的特殊功能数模转换器,例如用于视频调色显示的视频数模转换器。替代手工调整电位器而设计的数字电位器,专用于把数字化音频信号转换成模拟音频信号的音频数模转换器,脉码调制编码译码系统中用的压扩数模转换器等,D/A转换器有两种输出形式,一种是电压输出形式,即输入的是数
22、字量,而输出为电压。另一种是电流输出形式,即输出为电流。在实际应用中如需要电压模拟量的话,对于电流输出的D/A转换器,可在其输出端加运算放大器构成的电流-电压转换电路,将转换器的电流输出转成电压。在单片机的实时控制和智能仪表等应用系统中,控制或测量对象的有关变量,往往是一些连续变化的模拟量,如 温度,压力,流量,速度等物理量。这些模拟量必须转变成数字量后才能输入到单片机中进行处理。单片机处理的结果,也常常需要转换为模拟信号。若输入的是非电信号,还需经过传感器转换成模拟电信号。实现模拟量转换成数字量的器件称为模拟转换器,实现数字量转换成模拟量得器件称为数字转换器。1.5 研究背景及其意义混沌作为
23、一种复杂的非线性现象,过去的几十年里在科学及工程应用等领域得到了极大的关注,已经应用到经济、军事、通信、图像加密、生物医学、大气预测等领域,但不论采用哪种应用,首先要解决的问题是混沌信号源的实现,即混沌信号发生装置。目前,对于混沌信号源的研究,有分立元件电路产生模拟混沌信号源和基于单片机、DSP和DDS产生数字混沌信号源两种方法,使用模拟电路产生的混沌信号不具有周期性,其统计特性和热噪声信号一致,但电路复杂,对混沌状态的控制和同步比较困难,限制了该方法的应用;用数字电路产生混沌信号则较为灵活,可以任意更换迭代方程,数字混沌系统容易控制和同步,但数字系统的精度有限,产生的混沌信号具有周期性。在设
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- 基于 单片机 混沌 信号发生器
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