前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)下基于fpga的stdp突觸可塑性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)，特別是一種前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)下基于FPGA的STDP突觸 可塑性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在生物神經(jīng)系統(tǒng)中，大量神經(jīng)元通過(guò)突觸相互聯(lián)系形成神經(jīng)回路，突觸是神經(jīng)元 信息傳遞的重要部位，神經(jīng)元之間的通信也是依靠突觸作為媒介。在神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中，突觸的 不同連接方式也影響著其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能。興奮時(shí)間依賴型的突觸可塑性是突觸可塑性的 一種，通過(guò)突觸前和突觸后動(dòng)作電位精確的時(shí)間差驅(qū)動(dòng)。因此基于STDP的學(xué)習(xí)法則適用于 學(xué)習(xí)一些與時(shí)間相關(guān)的神經(jīng)現(xiàn)象，比如動(dòng)作電位一時(shí)間同步。傳統(tǒng)的與權(quán)重獨(dú)立的STDP學(xué) 習(xí)法則創(chuàng)造了不穩(wěn)定的學(xué)習(xí)過(guò)程，導(dǎo)致了平衡雙峰的權(quán)重分布。曾有研究指出，對(duì)單個(gè)神經(jīng) 元W及前饋神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，STDP是如何根據(jù)尖峰放電序列的放電時(shí)刻來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入選擇性的。 有關(guān)STDP規(guī)則的研究在最近幾年取得了很大的進(jìn)展，然而外部刺激影響神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的可塑 性W及信息在神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中傳導(dǎo)的機(jī)制尚不明確。
[0003] 生物實(shí)驗(yàn)由于其高昂的成本W(wǎng)及倫理道德的底線而存在一定的局限性;計(jì)算機(jī)軟 件仿真工作繁瑣，而神經(jīng)元模型和突觸連接構(gòu)建的模擬電路，實(shí)驗(yàn)可擴(kuò)展性和靈活性都有 局限，不易于仿真工作的操作和開(kāi)展。因此神經(jīng)元突觸可塑性變化在前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)下的高 性能硬件實(shí)現(xiàn)，是一個(gè)全新的研究方向。
[0004] 現(xiàn)場(chǎng)可編程口陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)技術(shù)是專用集成電 路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路技術(shù)，其解決了定制電路的不足W及W往可編程器件口 電路數(shù)有限的問(wèn)題，在W生物神經(jīng)系統(tǒng)為對(duì)象的計(jì)算神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域逐漸受到青睞。相對(duì)于 模擬電路平臺(tái)開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，F(xiàn)PGA因其集成度高、體積小、并行計(jì)算、可重復(fù)配置、編程 靈活、可靠性好、低功耗等優(yōu)點(diǎn)使其能夠?qū)崿F(xiàn)真實(shí)時(shí)間尺度下神經(jīng)元突觸連接模塊的動(dòng)態(tài) 特性變化和分析。應(yīng)用能夠并行運(yùn)算的FPGA，可W完成真實(shí)時(shí)間尺度下神經(jīng)元間突觸連接 的仿真和動(dòng)態(tài)分析，提高運(yùn)算效率，在神經(jīng)編碼信息傳遞，信息監(jiān)測(cè)，神經(jīng)疾病的治療等方 面有著重要的應(yīng)用價(jià)值。
[0005] 現(xiàn)有的技術(shù)還處于基礎(chǔ)階段，因此仍存在W下缺點(diǎn)：尚無(wú)基于FPGA的功能完善的 專用STDP突觸可塑性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；運(yùn)用FPGA實(shí)現(xiàn)的硬件仿真突觸計(jì)算模型結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，精 度不高;人機(jī)界面尚未完善，無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制操作與數(shù)據(jù)分析，因此對(duì)FPGA硬件神經(jīng)元 突觸權(quán)重變化動(dòng)態(tài)特性的操作分析比較困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)上述其技術(shù)不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)下基于FPGA 的STDP突觸可塑性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使研究人員可W靈活輕便的完成不同前饋層下神經(jīng)元突觸可 塑性變化的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)操作界面直觀讀取數(shù)據(jù)，為研究神經(jīng)元的信息傳遞，信息監(jiān)測(cè)， 非線性特性W及突觸可塑性對(duì)神經(jīng)元信息傳遞的作用提供重要理論依據(jù)。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是提供一種前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)下基于FPGA的 STDP突觸可塑性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其中：該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括有相互連接的FPGA開(kāi)發(fā)板和上位機(jī)，所述 FPGA開(kāi)發(fā)板包括有第一層前饋網(wǎng)絡(luò)FPGA忍片I，第二層前饋網(wǎng)絡(luò)FPGA忍片II，第Ξ層前饋網(wǎng) 絡(luò)FPGA忍片III，第四層前饋網(wǎng)絡(luò)FPGA忍片IV，第一層突觸計(jì)算FPGA忍片V，第二層突觸計(jì)算 FPGA忍片VI，第Ξ層STDP突觸計(jì)算FPGA忍片νΠ 和FPGA忍片VIII，還包括有外部刺激信號(hào)發(fā) 生器，NI0S II軟核處理器，USB接口模塊，Ξ路數(shù)據(jù)選擇器，分路器，Ξ路數(shù)據(jù)選擇器，F(xiàn)HN神 經(jīng)元模型和STDP突觸連接模型；各層前饋網(wǎng)絡(luò)中的FHN神經(jīng)元模型均采用Verilog皿L語(yǔ)言 進(jìn)行編程，分別在第一層前饋網(wǎng)絡(luò)FPGA忍片I，第二層前饋網(wǎng)絡(luò)FPGA忍片II，第Ξ層前饋網(wǎng) 絡(luò)FPGA忍片III和第四層前饋網(wǎng)絡(luò)FPGA忍片IV中編譯FHN神經(jīng)元模型;各層的STDP突觸計(jì)算 FPGA忍片的STDP突觸連接模型采用Verilog HDL語(yǔ)言編程，分別在第一層突觸計(jì)算FPGA忍 片V，第二層突觸計(jì)算FPGA忍片VI和第Ξ層突觸計(jì)算FPGA忍片νΠ 中完成編譯并下載，NI0S II軟核處理器能夠?qū)崿F(xiàn)第一層突觸計(jì)算FPGA忍片V，第二層突觸計(jì)算FPGA忍片VI，第Ξ層突 觸計(jì)算FPGA忍片VII的數(shù)據(jù)傳輸和USB接口模塊數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂?，STDP突觸連接模型產(chǎn)生的 突觸電流信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)輸出總線傳輸?shù)饺藱C(jī)操作界面進(jìn)行波形顯示和數(shù)據(jù)分析，上位機(jī)通 過(guò)C++編程實(shí)現(xiàn)人機(jī)操作界面并通過(guò)USB接口模塊與FPGA忍片VIII進(jìn)行通訊，計(jì)算數(shù)據(jù)在上 位機(jī)中進(jìn)行進(jìn)一步運(yùn)算處理。
[0008] 本發(fā)明的效果是該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中STDP可塑性突觸電流的建模， 設(shè)計(jì)了兼具可視化和可操作化的人機(jī)操作界面，提高了系統(tǒng)的靈活性和可實(shí)施性，能夠在 合適的時(shí)間尺度內(nèi)完成對(duì)生物神經(jīng)元之間可塑突觸模型進(jìn)行仿真;此外，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為研 究前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)下不同前饋層之間突觸權(quán)重變化提供了真實(shí)時(shí)間尺度內(nèi)的可視化平臺(tái)，對(duì) 理解神經(jīng)元之間信號(hào)傳遞機(jī)制有著重要的實(shí)用價(jià)值。本發(fā)明基于高速并行計(jì)算的FPGA前饋 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之間突觸功能特性仿真是一種無(wú)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的方法，提出了 STDP突觸可塑性在前饋 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其具有W下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：1.所設(shè)計(jì)的硬件仿真模型，神經(jīng)元模型W及 STDP突觸電流計(jì)算模型，能在時(shí)間尺度內(nèi)保持與真實(shí)生物神經(jīng)元的一致性，忍片最大工作 頻率為200MHz，能夠保證神經(jīng)元膜電位真實(shí)的傳遞到STDP突觸計(jì)算模塊，突觸電流輸出頻 率保持在1毫秒W內(nèi)，滿足真實(shí)神經(jīng)元時(shí)間尺度要求，為研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之間突觸可塑性變化 提供了更加高速便攜的實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)；2.本平臺(tái)中的外部刺激信號(hào)的參數(shù)設(shè)置，前饋網(wǎng)絡(luò) 外部噪聲信號(hào)選取，不同前饋層的選取都可W通過(guò)上位機(jī)界面進(jìn)行配置，完成了利用計(jì)算 機(jī)用戶操作界面配置實(shí)驗(yàn)設(shè)備的各種特性;3.人機(jī)操作界面可W實(shí)時(shí)的觀測(cè)具有STDP學(xué)習(xí) 法則的突觸電流在不同前饋層下的自適應(yīng)性變化波形和突觸權(quán)重分布圖，并可W測(cè)得信號(hào) 的幅值和能量，分析突觸權(quán)重的分布特性，進(jìn)而為基于FPGA的STDP突觸可塑性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提 供了良好的可視化界面。
【附圖說(shuō)明】
[0009] 圖1為本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0010] 圖2為FHN神經(jīng)元流水線模型；
[0011] 圖3為STDP突觸電流計(jì)算流水線模型；
[0012] 圖4為本發(fā)明的人機(jī)操作操作界面I示意圖；
[0013] 圖5為本發(fā)明的人機(jī)操作操作界面II示意圖；
[0014] 圖6為本發(fā)明的人機(jī)操作操作界面HI示意圖。
[0015] 圖中；
[0016] 1.FPGA開(kāi)發(fā)板2.上位機(jī)3.第一層前饋網(wǎng)絡(luò)FPGA忍片I 4.第二層前饋網(wǎng)絡(luò)FPGA 忍片II 5.第Ξ層前饋網(wǎng)絡(luò)FPGA忍片III 6.第四層前饋網(wǎng)絡(luò)FPGA忍片IV 7.第一層突觸計(jì) 算FPGA忍片V 8.第二層突觸計(jì)算FPGA忍片VI 9.第Ξ層突觸計(jì)算FPGA忍片VII 10.FPGA忍 片VIII 11.FHN神經(jīng)元模型12.STDP突觸連接模型13.人機(jī)操作界面14.USB接口模塊 15.NI0S II軟核處理器16.脈沖刺激信號(hào)發(fā)生器17.正弦波信號(hào)發(fā)生器18.高斯白噪聲 信號(hào)發(fā)生器19.有色噪聲信號(hào)發(fā)生器20外部刺激信號(hào)發(fā)生器21.分路器22.突觸電流信 號(hào)23.Ξ路數(shù)據(jù)選擇器24.數(shù)據(jù)選擇器25.FHN神經(jīng)元變量V的流水線數(shù)據(jù)通路26.FHN神 經(jīng)元變量W的流水線數(shù)據(jù)通路27.刺激信號(hào)28.前饋層選擇信號(hào)29.刺激類型選擇信號(hào) 30.參數(shù)1數(shù)值信號(hào)31.FHN神經(jīng)元模型變量V數(shù)值信號(hào)32.FHN神經(jīng)元模型變量W數(shù)值信號(hào) 33.數(shù)據(jù)輸入總線34.刺激信號(hào)35.數(shù)據(jù)輸出總線36.時(shí)間加窗模塊37.神經(jīng)元放電時(shí)間 序列38.突觸前后兩個(gè)神經(jīng)元的放電峰峰間期39.STDP突觸機(jī)制計(jì)算模塊40.最大突觸 電導(dǎo)41.外部噪聲干擾信號(hào)42. STDP可塑性突觸變化通路43.突觸連接基礎(chǔ)通路44.人 機(jī)操作界面I 45.曲線顯示界面46.選項(xiàng)卡47.界面基本操作框48.通用設(shè)置49.人機(jī)操 作界面II 50.突觸權(quán)重分布顯示分析界面51.人機(jī)操作界面III 52.突觸電流變化顯示界 面
【具體實(shí)施方式】
[0017] 結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)下基于FPGA的STDP突觸可塑性實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái) 結(jié)構(gòu)加 W說(shuō)明。
[0018] 本發(fā)明的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)下基于FPGA的STDP突觸可塑性實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)的設(shè)計(jì)思想 在于首先在第一層前饋網(wǎng)絡(luò)FPGA忍片