基于单片机的混沌信号发生器

I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日教学单位宝鸡文理学院学生学号201091044024编号II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；ProductionoflogisticchaoticsignalbasedonsinglechipmicrocomputeranditsapplicationABSTRACT：Fromthenonlineardynamicsystem,chaosdynamicsystemdescribestheprocessofmakinganychangesovertime.Suchasysteminallaspectsoflife.Peopleinsomeuncertainnonlinearsystems,donotneedtoattachanyrandomfactors,becausethesystemnonlinearinteractionswithinclasscalledchaosrandomphenomenon.Thediscoveryofchaosphenomenonmakepeoplerealizethatthemovementoftheobjectivethingsmorecommonexistencesignificance,intheformofnonlinearchaoticanddisorderly,ithasbecomeacertaintheoryandprobabilitytheorybridgeofunderstandingbetweeneachother.Thisdesignmainlyistousethediscretechaoticmappinglogisticinusewidely,randomsignalisproduced.Thensomeofthechaoticmappingintheactualapplicationareintroduced.Keywords:chaoticsystem;AT89S52SCM;logisticchaoticsystem;第1页共30页目录第1章绪论.....................................................21.1混沌学的发展历史.............................................21.2混沌电子电路的发展及研究现状.................................31.3信号发生器...................................................41.4信号发生器中的数模转换......................................51.5研究背景及其意义............................................7第2章混沌理论基础..............................................82.1混沌的基本概念...............................................82.1.1混沌的定义.............................................82.1.2混沌的有关名词.........................................82.1.3混沌的特征.............................................92.1.4通向混沌的道路........................................102.2混沌系统的研究方法..........................................11第3章基于单片机的混沌信号发生器的设计..........................133.1基于AT89S52单片机的一维混沌系统信号发生器的设计............133.1.1AT89S52单片机介绍....................................143.1.2DAC0832介绍..........................................163.1.4Logistic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...................................234.1混沌控制及同步在通信领域中运用.............................23参考文献.........................................................26致谢.........................................................28第2页共30页第1章绪论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蕴第3页共30页含混沌》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”(chua’scircuit)，“蔡氏电路”中的关键元件是非线性电阻，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第4页共30页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