基于PIC16F877A的混沌信號發(fā)生器的設(shè)計

林若波

摘 要:混沌信號源的實現(xiàn)對生物醫(yī)學(xué)、非線性信號處理等領(lǐng)域有著極其重要的意義。提出一種基于PIC16F877A的混沌信號源的解決方案,具有數(shù)字化、保密性好、電路簡單、信號穩(wěn)定等優(yōu)點。具體闡述基于該方案的混沌信號源的硬件和軟件的設(shè)計和實現(xiàn)過程。以Lorenz混沌方程作為數(shù)學(xué)模型產(chǎn)生混沌信號源。通過D/A轉(zhuǎn)換、電壓放大、混頻、調(diào)制、功率放大、PCB設(shè)計和電路驗證,得到能應(yīng)用于醫(yī)療器械的混沌信號源,通過調(diào)試,結(jié)果表明該設(shè)計方案是行之有效的。

關(guān)鍵詞:混沌信號源;PIC16F877A;Lorenz 混沌方程;數(shù)學(xué)模型

中圖分類號:TP3681

混沌科學(xué)得到廣泛研究應(yīng)該得益于20世紀(jì)60年代洛倫茲(Lorenz)的“蝴蝶效應(yīng)”。混沌信號具有初值敏感性、內(nèi)隨機性、遍歷性和有界性等特點,近幾年得到深入的研究和探索,并開始廣泛應(yīng)用于信號處理、保密通信、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域,特別是在醫(yī)療器械的應(yīng)用,有著重大的突破。科學(xué)研究表明:生物體是一個高度的非線性系統(tǒng),而非線性系統(tǒng)的運動通常表現(xiàn)出混沌現(xiàn)象,人體的生理活動呈現(xiàn)眾多的混沌現(xiàn)象。所以,研究混沌信號源的產(chǎn)生對生物醫(yī)學(xué)的研究有著極其重要的意義。

1 混沌信號產(chǎn)生的數(shù)學(xué)建模與仿真

1.1 混沌信號系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的選用

該設(shè)計中,考慮到人體生理活動本身也是一個混沌系統(tǒng),主要是要產(chǎn)生一個具有混沌特性的信號源,來調(diào)節(jié)人體的生理活動,因此,該設(shè)計采用最經(jīng)典的Lorenz混沌模型來產(chǎn)生信號。其數(shù)學(xué)模型如式(1)所示。當(dāng)┆σ=10,玝=8/3,玶=28時系統(tǒng)進(jìn)入混沌狀態(tài)。此時Lorenz方程可表示為式(2)。

1.2 基于Matlab/Simulink的Lorenz混沌系統(tǒng)仿真

Simulink是Matlab軟件的一個附加組件,為用戶提供了一個建模和仿真的工作平臺,它采用模塊組合的方法來創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)的計算機模型,其重要的特點是快速、準(zhǔn)確。對于比較復(fù)雜的非線性系統(tǒng),效果更為明顯。其用戶交互接口是基于Windows的模型化圖形輸入,即用戶只需要知道這些模塊的輸入/輸出和模塊的功而不必考察模塊內(nèi)部是如何實現(xiàn)的,通過對這些基本模塊的調(diào)用,再將它們接起來就可以構(gòu)成所需要的系統(tǒng)模型(以.mdl文件進(jìn)行存取),進(jìn)而進(jìn)行仿真與分析[5,6]。

在Matlab/Simulink環(huán)境下創(chuàng)建仿真模型[7],如┩1所示,運行仿真后,可得混沌系統(tǒng)時域波形以及相軌跡圖仿真結(jié)果,如圖2所示。オお[KH-2]

2 基于PIC16F877A的混沌信號發(fā)生器的硬件設(shè)計

基于最經(jīng)典的Lorenz混沌方程,用輸出電壓玌,W代替Lorenz混沌系統(tǒng)中的兩個變量玿,z;利用單片機PIC16F877A軟件編程方法產(chǎn)生二路數(shù)字混沌信號,再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬混沌信號、電壓放大后與低頻信號混頻、調(diào)制,再進(jìn)行功率放大,從而得到可應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)的混沌信號源。具體框圖如圖3所示。

[BT3]2.1 數(shù)字混沌信號的產(chǎn)生

混沌信號的產(chǎn)生方法很多,可以利用模擬元件進(jìn)行產(chǎn)生模擬混沌信號[8],也可用采用單片機或DSP[9]等芯片,利用軟件方法產(chǎn)生數(shù)字混沌信號。由于數(shù)字方法具有保密性好、電路簡單、信號產(chǎn)生穩(wěn)定等優(yōu)點,加上PIC單片機的硬件系統(tǒng)設(shè)計簡潔,指令系統(tǒng)設(shè)計精練,故該電路采用PIC16F877A單片機作為主芯片,電路如圖4所示。系統(tǒng)時鐘采用標(biāo)準(zhǔn)的4 MHz的晶體振蕩方式XT,復(fù)位電路采用MCLR外接低電平信號進(jìn)行人工復(fù)位,單片機I/O端口B和C分別輸出混沌數(shù)字信號[10]。

2.2 D/A轉(zhuǎn)換電路

由于混沌信號要與低頻音樂信號進(jìn)行混頻、AM調(diào)制,故數(shù)字混沌信號必須進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換,電路中采用DAC0832進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換,如圖5所示。

獵3和獵4為濾波電容,主要對電源進(jìn)行高頻和低頻濾波,10腳和3腳分別接數(shù)字地和模擬地,以減少數(shù)字/模擬接地干擾,通過D/A轉(zhuǎn)換,把電壓信號轉(zhuǎn)換為交流電流從第11腳輸出。

2.3 電壓放大電路

由于PIC產(chǎn)生的信號比較微弱,必須進(jìn)行電壓放大,采用LM386進(jìn)行電流[CD*2]電壓轉(zhuǎn)換和電壓放大,如┩6所示。信號通過U5實現(xiàn)電流[CD*2]電壓轉(zhuǎn)換電路,通過RP2電位器進(jìn)行取樣,然后經(jīng)U6進(jìn)行電壓放大,輸出送至后一級電路。

2.4 調(diào)制電路

由于音樂旋律本身也是一種混沌信號,該設(shè)計主要是利用從PIC16F877A產(chǎn)生的混沌高頻信號和音樂語音信號、極低頻信號進(jìn)行調(diào)制,得到混沌音樂信號,送至調(diào)制器作為醫(yī)療器械的信號源,推動輸出裝置。

[BT3]2.5 功率放大電路

調(diào)制后的信號功率比較小,必須經(jīng)過功率放大以驅(qū)動負(fù)載,可以采用三極管或CMOS場效應(yīng)管進(jìn)行功率放大。

3 基于PIC16F877A的混沌信號源的軟件設(shè)計

PIC16F877A芯片的主程序流程如圖7所示。

工作過程如下:上電后PIC芯片完成初始化,查詢主控微機是否發(fā)出了包含參數(shù)配置信息的指令信號:如果沒有則繼續(xù)查詢;如果有則接收指令信號,根據(jù)主控微機發(fā)來的信號判斷混沌方程的類型以及參數(shù),用數(shù)值積分法求解混沌方程,得到混沌方程某一個時刻的浮點格式的數(shù)值解。將其轉(zhuǎn)換為PIC芯片可接受的控制數(shù)據(jù)格式。為了實現(xiàn)不同的頻譜展寬效果,需要相應(yīng)的加上不同的延時。然后再將該數(shù)據(jù)寫入PIC 芯片,判斷程序是否結(jié)束。如果不結(jié)束,則程序返回,繼續(xù)進(jìn)行數(shù)值積分求解下一個離散時間點的混沌方程的解。

4 混沌信號發(fā)生器的調(diào)試效果

[JP2]為了驗證混沌信號源輸出信號的正確性,根據(jù)混沌信號發(fā)生器電路板的布線結(jié)果進(jìn)行元件安裝、調(diào)試,用信號器進(jìn)行觀察。將音樂信號、極低頻信號加載到混頻器,與PIC16F877A產(chǎn)生的混沌信號進(jìn)行混頻,送至調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制,經(jīng)功率放大后,調(diào)制混沌信號玌的輸出結(jié)果┆(u[CD*2]t)如圖8所示。從輸出結(jié)果可以看出信號明顯具有混沌特性。這說明,輸出的混沌調(diào)制信號是正確的。[JP]

5 結(jié) 語

混沌是繼相對論、量子力學(xué)之后的20世紀(jì)的第┤次革命,近幾年得到廣泛的應(yīng)用。研究混沌信號的產(chǎn)生、基本特征以及在生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用將會成為未來主要的前沿研究方向,包括心臟混沌控制、腦電信號混沌控制等,而所有這些研究均是基于非線性混沌信號和生物體混沌態(tài)的控制,有待人們進(jìn)一步探索、發(fā)展。

參 考 文 獻(xiàn)

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[4]韓茂安,顧圣士.非線性系統(tǒng)的理論與方法[M].北京:科學(xué)出版社,2006.

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