前馈神经网络下基于fpga的stdp突触可塑性实验平台的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及生物医学工程技术，特别是一种前馈神经网络下基于FPGA的STDP突触 可塑性实验平台。
【背景技术】
[0002] 在生物神经系统中，大量神经元通过突触相互联系形成神经回路，突触是神经元 信息传递的重要部位，神经元之间的通信也是依靠突触作为媒介。在神经元网络中，突触的 不同连接方式也影响着其神经网络的功能。兴奋时间依赖型的突触可塑性是突触可塑性的 一种，通过突触前和突触后动作电位精确的时间差驱动。因此基于STDP的学习法则适用于 学习一些与时间相关的神经现象，比如动作电位一时间同步。传统的与权重独立的STDP学 习法则创造了不稳定的学习过程，导致了平衡双峰的权重分布。曾有研究指出，对单个神经 元W及前馈神经元网络，STDP是如何根据尖峰放电序列的放电时刻来实现输入选择性的。 有关STDP规则的研究在最近几年取得了很大的进展，然而外部刺激影响神经元网络的可塑 性W及信息在神经元网络中传导的机制尚不明确。
[0003] 生物实验由于其高昂的成本W及伦理道德的底线而存在一定的局限性;计算机软 件仿真工作繁琐，而神经元模型和突触连接构建的模拟电路，实验可扩展性和灵活性都有 局限，不易于仿真工作的操作和开展。因此神经元突触可塑性变化在前馈神经网络下的高 性能硬件实现，是一个全新的研究方向。
[0004] 现场可编程口阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA)技术是专用集成电 路(ASIC)领域中的一种半定制电路技术，其解决了定制电路的不足W及W往可编程器件口 电路数有限的问题，在W生物神经系统为对象的计算神经科学领域逐渐受到青睐。相对于 模拟电路平台开发周期长等缺点，FPGA因其集成度高、体积小、并行计算、可重复配置、编程 灵活、可靠性好、低功耗等优点使其能够实现真实时间尺度下神经元突触连接模块的动态 特性变化和分析。应用能够并行运算的FPGA，可W完成真实时间尺度下神经元间突触连接 的仿真和动态分析，提高运算效率，在神经编码信息传递，信息监测，神经疾病的治疗等方 面有着重要的应用价值。
[0005] 现有的技术还处于基础阶段，因此仍存在W下缺点：尚无基于FPGA的功能完善的 专用STDP突触可塑性实验平台；运用FPGA实现的硬件仿真突触计算模型结构比较简单，精 度不高;人机界面尚未完善，无法进行实时的控制操作与数据分析，因此对FPGA硬件神经元 突触权重变化动态特性的操作分析比较困难。
【发明内容】
[0006] 针对上述其技术不足之处，本发明的目的在于提供一种前馈神经网络下基于FPGA 的STDP突触可塑性实验平台，使研究人员可W灵活轻便的完成不同前馈层下神经元突触可 塑性变化的相关实验，通过操作界面直观读取数据，为研究神经元的信息传递，信息监测， 非线性特性W及突触可塑性对神经元信息传递的作用提供重要理论依据。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种前馈神经网络下基于FPGA的 STDP突触可塑性实验平台，其中：该实验平台包括有相互连接的FPGA开发板和上位机，所述 FPGA开发板包括有第一层前馈网络FPGA忍片I，第二层前馈网络FPGA忍片II，第Ξ层前馈网 络FPGA忍片III，第四层前馈网络FPGA忍片IV，第一层突触计算FPGA忍片V，第二层突触计算 FPGA忍片VI，第Ξ层STDP突触计算FPGA忍片νΠ 和FPGA忍片VIII，还包括有外部刺激信号发 生器，NI0S II软核处理器，USB接口模块，Ξ路数据选择器，分路器，Ξ路数据选择器，FHN神 经元模型和STDP突触连接模型；各层前馈网络中的FHN神经元模型均采用Verilog皿L语言 进行编程，分别在第一层前馈网络FPGA忍片I，第二层前馈网络FPGA忍片II，第Ξ层前馈网 络FPGA忍片III和第四层前馈网络FPGA忍片IV中编译FHN神经元模型;各层的STDP突触计算 FPGA忍片的STDP突触连接模型采用Verilog HDL语言编程，分别在第一层突触计算FPGA忍 片V，第二层突触计算FPGA忍片VI和第Ξ层突触计算FPGA忍片νΠ 中完成编译并下载，NI0S II软核处理器能够实现第一层突触计算FPGA忍片V，第二层突触计算FPGA忍片VI，第Ξ层突 触计算FPGA忍片VII的数据传输和USB接口模块数据传输的控制，STDP突触连接模型产生的 突触电流信号通过数据输出总线传输到人机操作界面进行波形显示和数据分析，上位机通 过C++编程实现人机操作界面并通过USB接口模块与FPGA忍片VIII进行通讯，计算数据在上 位机中进行进一步运算处理。
[0008] 本发明的效果是该实验平台实现了前馈神经网络中STDP可塑性突触电流的建模， 设计了兼具可视化和可操作化的人机操作界面，提高了系统的灵活性和可实施性，能够在 合适的时间尺度内完成对生物神经元之间可塑突触模型进行仿真;此外，该实验平台为研 究前馈神经网络下不同前馈层之间突触权重变化提供了真实时间尺度内的可视化平台，对 理解神经元之间信号传递机制有着重要的实用价值。本发明基于高速并行计算的FPGA前馈 神经网络之间突触功能特性仿真是一种无动物实验的方法，提出了 STDP突触可塑性在前馈 神经网络上的实验平台，其具有W下几点优势：1.所设计的硬件仿真模型，神经元模型W及 STDP突触电流计算模型，能在时间尺度内保持与真实生物神经元的一致性，忍片最大工作 频率为200MHz，能够保证神经元膜电位真实的传递到STDP突触计算模块，突触电流输出频 率保持在1毫秒W内，满足真实神经元时间尺度要求，为研究神经网络之间突触可塑性变化 提供了更加高速便携的实验研究平台；2.本平台中的外部刺激信号的参数设置，前馈网络 外部噪声信号选取，不同前馈层的选取都可W通过上位机界面进行配置，完成了利用计算 机用户操作界面配置实验设备的各种特性;3.人机操作界面可W实时的观测具有STDP学习 法则的突触电流在不同前馈层下的自适应性变化波形和突触权重分布图，并可W测得信号 的幅值和能量，分析突触权重的分布特性，进而为基于FPGA的STDP突触可塑性实验平台提 供了良好的可视化界面。
【附图说明】
[0009] 图1为本发明的实验平台系统结构示意图；
[0010] 图2为FHN神经元流水线模型；
[0011] 图3为STDP突触电流计算流水线模型；
[0012] 图4为本发明的人机操作操作界面I示意图；
[0013] 图5为本发明的人机操作操作界面II示意图；
[0014] 图6为本发明的人机操作操作界面HI示意图。
[0015] 图中；
[0016] 1.FPGA开发板2.上位机3.第一层前馈网络FPGA忍片I 4.第二层前馈网络FPGA 忍片II 5.第Ξ层前馈网络FPGA忍片III 6.第四层前馈网络FPGA忍片IV 7.第一层突触计 算FPGA忍片V 8.第二层突触计算FPGA忍片VI 9.第Ξ层突触计算FPGA忍片VII 10.FPGA忍 片VIII 11.FHN神经元模型12.STDP突触连接模型13.人机操作界面14.USB接口模块 15.NI0S II软核处理器16.脉冲刺激信号发生器17.正弦波信号发生器18.高斯白噪声 信号发生器19.有色噪声信号发生器20外部刺激信号发生器21.分路器22.突触电流信 号23.Ξ路数据选择器24.数据选择器25.FHN神经元变量V的流水线数据通路26.FHN神 经元变量W的流水线数据通路27.刺激信号28.前馈层选择信号29.刺激类型选择信号 30.参数1数值信号31.FHN神经元模型变量V数值信号32.FHN神经元模型变量W数值信号 33.数据输入总线34.刺激信号35.数据输出总线36.时间加窗模块37.神经元放电时间 序列38.突触前后两个神经元的放电峰峰间期39.STDP突触机制计算模块40.最大突触 电导41.外部噪声干扰信号42. STDP可塑性突触变化通路43.突触连接基础通路44.人 机操作界面I 45.曲线显示界面46.选项卡47.界面基本操作框48.通用设置49.人机操 作界面II 50.突触权重分布显示分析界面51.人机操作界面III 52.突触电流变化显示界 面
【具体实施方式】
[0017] 结合附图对本发明的前馈神经网络下基于FPGA的STDP突触可塑性实验研究平台 结构加 W说明。
[0018] 本发明的前馈神经网络下基于FPGA的STDP突触可塑性实验研究平台的设计思想 在于首先在第一层前馈网络FPGA忍片