偽隨機(jī)碼led燈報(bào)告

1、西南科技大學(xué)現(xiàn)代通信網(wǎng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱： 通信系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)名稱： 基于單片機(jī)的LED亮滅“偽隨機(jī)”控制系統(tǒng) 姓 名： 學(xué) 號(hào): 班 級(jí)： 指導(dǎo)教師： 課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)組 起止日期： 2017.5.27-2017.6.29 西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院制2課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書學(xué)生班級(jí)： 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 設(shè)計(jì)名稱：基于單片機(jī)的LED亮滅“偽隨機(jī)”控制系統(tǒng) 起止日期： 2017.5.27-2017.6.29 指導(dǎo)教師： 課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)組 設(shè)計(jì)要求：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示，要求，單片機(jī)內(nèi)預(yù)先植入一個(gè)偽隨機(jī)序列發(fā)生器，每次復(fù)位后，以初始狀態(tài)開始生成偽隨機(jī)碼，并控制8bitLED的亮滅。序列初始狀態(tài)通

2、過串口可配置；序列級(jí)數(shù)不小于4級(jí)；輸出數(shù)據(jù)率不低于10bit/s；擴(kuò)展部分：（1）自行開發(fā)PC端控制軟件（界面中實(shí)現(xiàn)至少8種初始狀態(tài)選擇、端口選擇，速率默認(rèn)19.2k，其他參數(shù)默認(rèn)，不能做在界面可選）。方 向 設(shè) 計(jì) 學(xué) 生 日 志時(shí)間設(shè)計(jì)內(nèi)容5.27-6.3分析了解偽隨機(jī)序列產(chǎn)生原理及算法。6.3-6.14分析了解51單片機(jī)各引腳功能和控制口。6.15-6.16分析了解其晶振模塊時(shí)鐘編寫規(guī)則。6.16-6.19在Keil上編寫c語言代碼，畫Proteus電路圖，觀察效果6.19-6.24修改代碼和電路圖，用自己的單片機(jī)觀察效果。6.24-6.27領(lǐng)取老師發(fā)放的單片機(jī)，焊接相對(duì)電路引腳。6.2

3、8-6.29在實(shí)物上調(diào)試，確定最終結(jié)果。12基于單片機(jī)的LED亮滅“偽隨機(jī)”控制系統(tǒng)一、 摘要（150-250字）近年來隨著計(jì)算機(jī)在社會(huì)領(lǐng)域的滲透和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷地走向深入，由于它具有功能強(qiáng)，體積小，功耗低，價(jià)格便宜，工作可靠，使用方便等特點(diǎn)，因此特別適合于與控制有關(guān)的系統(tǒng)，越來越廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)控制，智能化儀器，儀表，數(shù)據(jù)采集，軍工產(chǎn)品以及家用電器等各個(gè)領(lǐng)域，單片機(jī)往往是作為一個(gè)核心部件來使用，在根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)，以及針對(duì)具體應(yīng)用對(duì)象特點(diǎn)的軟件結(jié)合，以作完善。本次設(shè)計(jì)的LED亮滅“偽隨機(jī)”控制系統(tǒng)，利用單片機(jī)控制發(fā)光二極管的亮滅，伴以偽隨機(jī)序列有著很好的實(shí)際意義。

4、關(guān)鍵詞：單片機(jī)；LED；控制系統(tǒng)；偽隨機(jī)碼二、 設(shè)計(jì)目的和意義通過利用keil，熟悉protues仿真工具，并且通過課程設(shè)計(jì)來更好地掌握課本相關(guān)知識(shí)，本設(shè)計(jì)主要難點(diǎn)在于產(chǎn)生偽隨機(jī)數(shù)，即是m序列。m序列是最長線性移位寄存器序列的簡稱，是一種偽隨機(jī)序列、偽噪聲(PN)碼或偽隨機(jī)碼。研究偽隨機(jī)碼的意義有三點(diǎn)，是這中碼看上去像隨機(jī)的碼,就跟噪音一樣,不好破解,保密性高；二是偽隨機(jī)序列的碼片寬度越窄,測(cè)距精度就越高.同時(shí)，采用偽隨機(jī)生成的DSSS抗干擾能力大為增強(qiáng)；三是使用偽隨機(jī)碼容易調(diào)制與解調(diào)。而已研究發(fā)現(xiàn)，偽隨機(jī)信號(hào)的特征及偽隨機(jī)信號(hào)產(chǎn)生的方法,得出了用偽隨機(jī)信號(hào)代替白噪聲信號(hào)辨識(shí)鉆柱系統(tǒng)脈沖響應(yīng)的

5、結(jié)論。三、 設(shè)計(jì)原理（一） 偽隨機(jī)碼背景：偽隨機(jī)序列的理論與應(yīng)用研究大體上可以分成三個(gè)階段:(1)純粹理論研究階段 (1948年以前)；(2)m序列研究的黃金階段(1948-1969)； (3)非線性生成器的研究階段 (1969-)。1948年以前，學(xué)者們研究偽隨機(jī)序列的理論僅僅是因?yàn)槠鋬?yōu)美的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。最早的研究可以追溯到1894年，作為一個(gè)組合問題來研究所謂的De Bruijn序列；上世紀(jì)30年代，環(huán)上的線性遞歸序列則成為人們的研究重點(diǎn)。1948年Shannon信息論誕生后，這種情況得到了改變。偽隨機(jī)序列己經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在通信以及密碼學(xué)等重要的技術(shù)領(lǐng)域。Shannon證明了“一次一密”是無條

6、件安全的，無條件保密的密碼體制要求進(jìn)行保密通信的密鑰量至少與明文量一樣大。因此在此后的一段時(shí)間內(nèi)，學(xué)者們一直致力于研究具有足夠長周期的偽隨機(jī)序列。如何產(chǎn)生這樣的序列是20世紀(jì)50年代早期的研究熱點(diǎn)。線性反饋移位寄存器 (LFSR)序列是這個(gè)時(shí)期研究最多的，因?yàn)橐粋€(gè)n級(jí)LFSR可以產(chǎn)生周期為的最大長度序列，而且具有滿足Golomb隨機(jī)性假設(shè)的隨機(jī)特性，通常稱之為m序列。這段時(shí)期的研究奠定了LFSR序列的基本理論和一些經(jīng)典結(jié)論。但是，在1969年Massey發(fā)表了“移位寄存器綜合與BCH譯碼”一文，引發(fā)了序列研究方向的根本性變革，從此偽隨機(jī)序列的研究進(jìn)入了構(gòu)造非線性序列生成器的階段。Berleka

7、mp-Massey算法(簡稱B-M算法)指出:如果序列的線性復(fù)雜度為n，則只需要2n個(gè)連續(xù)比特就可以恢復(fù)出全部的序列。從這個(gè)結(jié)論可以看出m序列是一種“極差”的序列，它的線性復(fù)雜度太小，因而不能夠直接用來做流密碼系統(tǒng)的密鑰流序列。從這里還可以看到僅僅靠Golomb的三個(gè)隨機(jī)性假設(shè)來評(píng)測(cè)序列是不夠的，還需要其它的一些指標(biāo)。此后直到今天，密碼學(xué)界的學(xué)者們一直在努力尋找構(gòu)造“好”的偽隨機(jī)序列的方法。（二） 偽隨機(jī)碼簡介：結(jié)構(gòu)可以預(yù)先確定，可重復(fù)產(chǎn)生和復(fù)制，具有某種隨機(jī)序列隨機(jī)特性的序列碼。偽隨機(jī)碼序列一般可以利用移位寄存器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生，該網(wǎng)絡(luò)由R級(jí)串聯(lián)雙態(tài)器件移位脈沖產(chǎn)生器和模二加法器組成。該網(wǎng)絡(luò)可以產(chǎn)生

8、碼長為15的偽隨機(jī)碼。在計(jì)算機(jī)、通信系統(tǒng)中我們采用的隨機(jī)數(shù)、隨機(jī)碼均為偽隨機(jī)數(shù)、偽隨機(jī)碼。所謂“隨機(jī)碼”，就是無論這個(gè)碼有多長都不會(huì)出現(xiàn)循環(huán)的現(xiàn)象，而“偽隨機(jī)碼”在碼長達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)從其第一位開始循環(huán)，由于出現(xiàn)的循環(huán)長度相當(dāng)大，例如CDMA采用42的偽隨機(jī)碼，重復(fù)的可能性為4.4萬億分之一，所以可以當(dāng)成隨機(jī)碼使用。偽隨機(jī)碼又稱偽隨機(jī)序列,它是具有類似于隨機(jī)序列基本特性的確定序列。通常廣泛應(yīng)用二進(jìn)制序列,因此我們僅限于研究二進(jìn)制序列。二進(jìn)制獨(dú)立隨機(jī)序列在概率論中一般稱為貝努利(Bernoulli)序列,它由兩個(gè)元素(符號(hào))0, 1或1, -1組成。序列中不同位置的元素取值相互獨(dú)立取0取1的概率

9、相等等于1/2:我們簡稱此種系列為隨機(jī)系列。隨機(jī)序列具有以下三個(gè)基本特性：1)在序列中“0”和“1”出現(xiàn)的相對(duì)頻率各為1/2。2)序列中連0或連1稱為游程連0或連1的個(gè)數(shù)稱為游程的長度，序列中長度為1的游程數(shù)占游程總數(shù)的1/2；長度為2的游程數(shù)占游程總數(shù)的1/4；長度為3的游程數(shù)占游程總數(shù)的1/8；長度為n的游程數(shù)占游程總數(shù)的1/2n(對(duì)于所有有限的 n )此性質(zhì)我們簡稱為隨機(jī)序列的游程特性:3)如果將給定的隨機(jī)序列位移任何個(gè)元素 則所得序列的和原序列的對(duì)應(yīng)的元素有一半相同，一半不同。如果確定序列近似滿足以上三個(gè)特性則稱此確定序列為偽隨機(jī)序列。（三） 常見的偽隨機(jī)M序列：m序列是最長線性移位寄

10、存器序列的簡稱，是一種偽隨機(jī)序列、偽噪聲(PN)碼或偽隨機(jī)碼?？梢灶A(yù)先確定并且可以重復(fù)實(shí)現(xiàn)的序列稱為確定序列；既不能預(yù)先確定又不能重復(fù)實(shí)現(xiàn)的序列稱隨機(jī)序列；不能預(yù)先確定但可以重復(fù)產(chǎn)生的序列稱偽隨機(jī)序列。（一）遞推方程為： 如圖所示，m序列可由二進(jìn)制線性反饋移位寄存器產(chǎn)生。它主要由n個(gè)串聯(lián)的寄存器、移位脈沖產(chǎn)生器和模2加法器組成。 圖中第i級(jí)移存器的狀態(tài)ai表示，ai=0 或ai=1，i=整數(shù)。反饋線的連接狀態(tài)用ci表示，ci=1表示此線接通（參加反饋），ci=0表示此線斷開。由于反饋的存在，移存器的輸入端受控地輸入信號(hào)。不難看出，若初始狀態(tài)為全“0”,則移位后得到的仍為全“0”，因此應(yīng)避免出現(xiàn)

11、全“0”狀態(tài)，又因?yàn)閚級(jí)移存器共有2n-1種可能的不同狀態(tài)，除全“0”狀態(tài)外，剩下2n-1種狀態(tài)可用。每移位一次，就出現(xiàn)一種狀態(tài)，在移位若干次后，一定能重復(fù)出現(xiàn)前某一狀態(tài)，其后的過程便周而復(fù)始了。反饋線位置不同將出現(xiàn)不同周期的不同序列，我們希望找到線性反饋的位置，能使移存器產(chǎn)生的序列最長，即達(dá)到周期P=2n-1。圖1 線性反饋移位寄存器m序列的基本性質(zhì)如下：(1)周期性：m序列的周期p取決于它的移位寄存器的級(jí)數(shù), p=2n-1(2)平衡特性：m序列中0和1的個(gè)數(shù)接近相等；m序列中一個(gè)周期內(nèi)“1”的數(shù)目比“0”的數(shù)目多1個(gè)。(3)游程特性：m序列中長度為1的游程約占游程總數(shù)的1/2，長度為2的游

12、程約占游程總數(shù)的1/22 ,長度為3的游程約占游程總數(shù)的1/23 (4)線性疊加性：m序列和其移位后的序列逐位模2相加，所得的序列還是m序列，只是相移不同而已。(5)二值自相關(guān)特性：碼位數(shù)越長越接近于隨機(jī)噪聲的自相關(guān)特性。（四） 單片機(jī)控制led燈模塊：1.單片機(jī)模塊如下：圖2 單片機(jī)設(shè)置定時(shí)器T0定時(shí)時(shí)間為25ms，每隔25ms開一次中斷，共R1次，R0與R2共同作用構(gòu)成循400次循環(huán)，以達(dá)到定時(shí)10秒的目的。首先LED燈以2Hz頻率閃動(dòng)，初始賦值TH1=11111100，TL1= 11111100,經(jīng)過M序列循環(huán)執(zhí)行10次中斷后，即過去0.25s，燈閃爍一次，依次循環(huán)，直至10s定時(shí)時(shí)間到

13、，蜂鳴器響一次，2Hz頻率的閃爍結(jié)束。然后LED燈以1Hz頻率閃動(dòng)，設(shè)置R1=20，與上類似，每過0.5s燈閃爍一次，十秒定時(shí)到，到下一階段。最后LED燈以0.5Hz頻率閃動(dòng)，設(shè)置R1=40即可，思路同上。當(dāng)三十秒執(zhí)行完畢后，使用無條件轉(zhuǎn)移語句跳轉(zhuǎn)到程序開始處，循環(huán)以上過程。四、 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟（一） 準(zhǔn)備工作：首先，拿到課題報(bào)告，題目是基于單片機(jī)的LED亮滅“偽隨機(jī)”控制系統(tǒng)。我分析了解偽隨機(jī)序列產(chǎn)生原理及算法。這個(gè)在課本上有很深刻的體現(xiàn)，再加上這也是期末考試的考題之一。偽隨機(jī)序列碼是一種最常見的偽隨機(jī)序列，可由二進(jìn)制線性反饋移位寄存器產(chǎn)生。所以我制定了學(xué)習(xí)方案，首先學(xué)習(xí)M序列的規(guī)律和產(chǎn)生方式

14、，最后選擇用匯編語言寫本次設(shè)計(jì)代碼。接著制定詳細(xì)時(shí)間計(jì)劃，并按照計(jì)劃執(zhí)行。（二） 初始化參數(shù)：圖3 初始化參數(shù)由于在proteus軟件中暫時(shí)無法接受從其他串口接受初始化數(shù)據(jù)，所以我把初始化數(shù)據(jù)設(shè)為FFH，既1111 1111，反應(yīng)在電路上為全部燈點(diǎn)亮。其他參數(shù)入SCON口設(shè)為50H，既使其工作在方式1, 10位UART，允許接收位；PCON口設(shè)為80H，使其波特率加倍；TMOD設(shè)為20H，由運(yùn)行控制位TR啟動(dòng)定時(shí)器，工作在方式2。并且允許串口中斷，先將初始化數(shù)據(jù)輸入。（三） 編寫偽隨機(jī)序列產(chǎn)生代碼和控制led燈代碼以及畫電路圖：圖4 protues電路圖圖5 M序列產(chǎn)生代碼這段代碼是整個(gè)程序的

15、核心代碼段，它結(jié)合了偽隨機(jī)序列產(chǎn)生代碼和控制led燈代碼段，在實(shí)現(xiàn)M序列的同時(shí)用led燈的亮滅體現(xiàn)M序列代碼的正確性。其點(diǎn)亮電平可有P2口輸入，由下圖原理圖可見： （a） (b)圖6(a) 單片機(jī)芯片P2口引腳圖6(b) 八盞led燈（四） 焊接51單片機(jī)板子：通過仿真從實(shí)驗(yàn)室拿到原始的板子，仿照的資料對(duì)其進(jìn)行焊接，觀察板卡每一部分的標(biāo)號(hào)，以及根據(jù)器件清單核對(duì)元件包里的所有的元件。焊接前：圖7 未焊接前原始板子焊接后：圖8 焊接后板子（五） 驗(yàn)證電路結(jié)果：接好硬件電路，連接電腦串口，一開始，由于芯片232發(fā)熱嚴(yán)重，很難下入板子，后來通過多次試驗(yàn)，成功燒入程序，得到想要的結(jié)果。 五、 設(shè)計(jì)結(jié)果及

16、分析（一） Protues仿真圖：進(jìn)過驗(yàn)證確實(shí)為一組偽隨機(jī)數(shù)字。（二） 實(shí)物驗(yàn)證圖（單片機(jī)內(nèi)置初始化）：（三） 實(shí)物驗(yàn)證圖（單片機(jī)外部初始化）六、 總結(jié)本設(shè)計(jì)分為產(chǎn)生偽隨機(jī)序列和控制電路兩部分，但是主要是通過課程設(shè)計(jì)去了解偽隨機(jī)序列的意義和產(chǎn)生方法?？刂齐娐贩浅；A(chǔ)，然后是寫入電路也很簡單。這次課程設(shè)計(jì)，我花費(fèi)了比較多的心思，既是對(duì)課程理論內(nèi)容的一次復(fù)習(xí)和鞏固，還讓我們豐富了更多與該專業(yè)相關(guān)的其他知識(shí)，比如keil和protues軟件的應(yīng)用等，在摸索中學(xué)習(xí)，在摸索中成長，在學(xué)習(xí)的過程中帶著問題去學(xué)我發(fā)現(xiàn)效率很高，這是我做這次課程設(shè)計(jì)的又一收獲，在真正設(shè)計(jì)之前我們做了相當(dāng)豐富的準(zhǔn)備，首先鞏固一下

17、課程理論，再一遍熟悉課程知識(shí)的構(gòu)架，然后結(jié)合加以理論分析、總結(jié)，有了一個(gè)清晰的思路和一個(gè)完整的的軟件流程圖之后才著手設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)程序時(shí)，我們不能妄想一次就將整個(gè)程序設(shè)計(jì)好，反復(fù)修改、不斷改進(jìn)是程序設(shè)計(jì)的必經(jīng)之路。在編程過程中遇到許多問題，我通過和同學(xué)討論、查閱資料等，收獲良多。七、 體會(huì)通過本學(xué)期的通信原理理論課的學(xué)習(xí)和通信原理課程設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)，我鞏固了課本知識(shí)和鍛煉了動(dòng)手能力。做課程設(shè)計(jì)是為了讓我們對(duì)平時(shí)學(xué)習(xí)的理論知識(shí)與實(shí)際操作相結(jié)合，在理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)上進(jìn)一步鞏固已學(xué)基本理論及應(yīng)用知識(shí)并加以綜合提高，學(xué)會(huì)將知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際的方法，提高分析和解決問題的能力。通過一周的課程設(shè)計(jì)中，我通過結(jié)合課本知識(shí)，對(duì)照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，有計(jì)劃、有目的地完成自身設(shè)計(jì)的課程目標(biāo)。整個(gè)過程給我最深刻的就是研究偽隨機(jī)序列算法