林若波

摘 要:混沌信號(hào)源的實(shí)現(xiàn)對(duì)生物醫(yī)學(xué)、非線性信號(hào)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(hào)源的解決方案,具有數(shù)字化、保密性好、電路簡(jiǎn)單、信號(hào)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。具體闡述基于該方案的混沌信號(hào)源的硬件和軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程。以Lorenz混沌方程作為數(shù)學(xué)模型產(chǎn)生混沌信號(hào)源。通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換、電壓放大、混頻、調(diào)制、功率放大、PCB設(shè)計(jì)和電路驗(yàn)證,得到能應(yīng)用于醫(yī)療器械的混沌信號(hào)源,通過(guò)調(diào)試,結(jié)果表明該設(shè)計(jì)方案是行之有效的。

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

中圖分類號(hào):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)”?；煦缧盘?hào)具有初值敏感性、內(nèi)隨機(jī)性、遍歷性和有界性等特點(diǎn),近幾年得到深入的研究和探索,并開(kāi)始廣泛應(yīng)用于信號(hào)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?？茖W(xué)研究表明:生物體是一個(gè)高度的非線性系統(tǒng),而非線性系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)通常表現(xiàn)出混沌現(xiàn)象,人體的生理活動(dòng)呈現(xiàn)眾多的混沌現(xiàn)象。所以,研究混沌信號(hào)源的產(chǎn)生對(duì)生物醫(yī)學(xué)的研究有著極其重要的意義。

1 混沌信號(hào)產(chǎn)生的數(shù)學(xué)建模與仿真

1.1 混沌信號(hào)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的選用

該設(shè)計(jì)中,考慮到人體生理活動(dòng)本身也是一個(gè)混沌系統(tǒng),主要是要產(chǎn)生一個(gè)具有混沌特性的信號(hào)源,來(lái)調(diào)節(jié)人體的生理活動(dòng),因此,該設(shè)計(jì)采用最經(jīng)典的Lorenz混沌模型來(lái)產(chǎn)生信號(hào)。其數(shù)學(xué)模型如式(1)所示。當(dāng)┆σ=10,玝=8/3,玶=28時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入混沌狀態(tài)。此時(shí)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(gè)附加組件,為用戶提供了一個(gè)建模和仿真的工作平臺(tái),它采用模塊組合的方法來(lái)創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型,其重要的特點(diǎn)是快速、準(zhǔn)確。對(duì)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(shí)現(xiàn)的,通過(guò)對(duì)這些基本模塊的調(diào)用,再將它們接起來(lái)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(yùn)行仿真后,可得混沌系統(tǒng)時(shí)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(hào)發(fā)生器的硬件設(shè)計(jì)

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(gè)變量玿,z;利用單片機(jī)PIC16F877A軟件編程方法產(chǎn)生二路數(shù)字混沌信號(hào),再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬混沌信號(hào)、電壓放大后與低頻信號(hào)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(hào)源。具體框圖如圖3所示。

[BT3]2.1 數(shù)字混沌信號(hào)的產(chǎn)生

混沌信號(hào)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(hào)[8],也可用采用單片機(jī)或DSP[9]等芯片,利用軟件方法產(chǎn)生數(shù)字混沌信號(hào)。由于數(shù)字方法具有保密性好、電路簡(jiǎn)單、信號(hào)產(chǎn)生穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),加上PIC單片機(jī)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔,指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)精練,故該電路采用PIC16F877A單片機(jī)作為主芯片,電路如圖4所示。系統(tǒng)時(shí)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(hào)進(jìn)行人工復(fù)位,單片機(jī)I/O端口B和C分別輸出混沌數(shù)字信號(hào)[10]。

2.2 D/A轉(zhuǎn)換電路

由于混沌信號(hào)要與低頻音樂(lè)信號(hào)進(jìn)行混頻、AM調(diào)制,故數(shù)字混沌信號(hào)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(duì)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(guò)D/A轉(zhuǎn)換,把電壓信號(hào)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(hào)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(hào)通過(guò)U5實(shí)現(xiàn)電流[CD*2]電壓轉(zhuǎn)換電路,通過(guò)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(jí)電路。

2.4 調(diào)制電路

由于音樂(lè)旋律本身也是一種混沌信號(hào),該設(shè)計(jì)主要是利用從PIC16F877A產(chǎn)生的混沌高頻信號(hào)和音樂(lè)語(yǔ)音信號(hào)、極低頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制,得到混沌音樂(lè)信號(hào),送至調(diào)制器作為醫(yī)療器械的信號(hào)源,推動(dòng)輸出裝置。

[BT3]2.5 功率放大電路

調(diào)制后的信號(hào)功率比較小,必須經(jīng)過(guò)功率放大以驅(qū)動(dòng)負(fù)載,可以采用三極管或CMOS場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行功率放大。

3 基于PIC16F877A的混沌信號(hào)源的軟件設(shè)計(jì)

PIC16F877A芯片的主程序流程如圖7所示。

工作過(guò)程如下:上電后PIC芯片完成初始化,查詢主控微機(jī)是否發(fā)出了包含參數(shù)配置信息的指令信號(hào):如果沒(méi)有則繼續(xù)查詢;如果有則接收指令信號(hào),根據(jù)主控微機(jī)發(fā)來(lái)的信號(hào)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(gè)時(shí)刻的浮點(diǎn)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(shí)現(xiàn)不同的頻譜展寬效果,需要相應(yīng)的加上不同的延時(shí)。然后再將該數(shù)據(jù)寫(xiě)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(gè)離散時(shí)間點(diǎn)的混沌方程的解。

4 混沌信號(hào)發(fā)生器的調(diào)試效果

[JP2]為了驗(yàn)證混沌信號(hào)源輸出信號(hào)的正確性,根據(jù)混沌信號(hào)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(hào)器進(jìn)行觀察。將音樂(lè)信號(hào)、極低頻信號(hào)加載到混頻器,與PIC16F877A產(chǎn)生的混沌信號(hào)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(hào)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(hào)明顯具有混沌特性。這說(shuō)明,輸出的混沌調(diào)制信號(hào)是正確的。[JP]

5 結(jié) 語(yǔ)

混沌是繼相對(duì)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(hào)的產(chǎn)生、基本特征以及在生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用將會(huì)成為未來(lái)主要的前沿研究方向,包括心臟混沌控制、腦電信號(hào)混沌控制等,而所有這些研究均是基于非線性混沌信號(hào)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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