Устройство для моделирования нейрона

Устройство для моделирования нейрона

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПHCAnHE изоьрптЕНИя "

К АВТОРСКОМУ СВИ ЕИДЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Респубпик (61) Дополнительное к авт. свид-ву 9 682910 (22) Заявлено 300579 (21) 2773256/18-24 (51}М. Кй, с присоединением заявки Ио (23) Приоритет

G 06 G 7/60

Государствеииый комитет

СССР ио делам изобретеиий и открытий (53) УДК 681. 3 33 (088.8) Опубликовано 231181 Бюллетень Н9 43

Дата опубликования описания 231181 С@:© з „„

Г .А. Галуев, В. К. Ровицкий и 10.В . Чер ухин

7 =-НТО0 и а1

Таганрогск1 и радиотехнический институт им -З K36%krK53a (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ НЕЙРОНА,2

Изобретение относится к области бионики и вычислительной техники и может быть использовано в качестве элемента нейронных сетей для моделирования биологических процессов в устройствах распознавания образов, а также в качестве элемента анализаторных структур в робототехнике.

По основному авт. св. 9 682910 известно устройство для моделирования нейрона, содержащее и блоков изменения синаптических весов, первые входы которых являются входами устройства, а выходы соединены со входами первого сумматора, второй 15 сумматор и пять цифровых интеграторов, выход первого сумматора подключен к первому входу первого цифрового интегратора, выход которого соединен с первым входом второго сумма- 20 тора, выход которого подключен к первому входу второго цифрового интегратора, выход которого соединен с первыми входами третьего и четвертого цифровых интеграторов, выход четвертого цифрового интегратора подключен к второму входу второго сумматора, к третьему входу которого подключен выход пятого цифрового интегратора, первый вход которого и второй вход второго интегратора подключены к од-. ному управляющему входу устройства, вторые входы о блоков изменения синаптических весов и вторые входы первого, третьего, четвертого и пятого цифровых интеграторов соединены с другими управляющими входами устройства соответственно.

В качестве исходной информации, поступающей на входы устройства при использовании в нем цифровых интеграторов с одноразрядными приращениями, используются импульсные потоки одноразрядных приращений, которые представляют собой импульсные последовательности определенной частоты. При использовании в устройстве цифровых интеграторов с многоразрядными приращениями в качестве исходной информации, поступающей на входы устройства, используются двоичные коды $17.

Однако устройство не позволяет производить обработку зрительной информации, поступающей в виде световых сигналов непосредственно из окружающей среды, что снижает функциональные воэможности устройства и ограни-чивает воэможности его использования в качестве элемента зрительных анализаторных структур, широко испольэуе883927 мых при проектировании интегральных роботов.

Цель изобретения — расширение функциональных воэможностей за счет возможности обработки световой информации.

Укаэанная, цель достигается тем, что в устройство для моделирования нейрона Введены и рецепторов, Выходы которых подключены к первым вхо 1ам и блоков изменения синаптических весов, входы и рецепторов являются входами устройства.

Рецептор содержит масштабный усилитель, фотодиод, декадный делитель напряжения, линию задержки, коммутатор, нуль-орган, двоичный счетчик и генератор импульсов, выход которого подключен к счетному входу двоичного счетчика, информационные выходы которого соединены с первым входом коммутатора и со входами декадного делителя напряжения, выход которого подключен к первому входу нуль-Органа, выход которого соединен с вторым входом коммутатора и через линию задержки - с установочным входом двоичного счетчика, выход коммутатора является ныходом рецептора, катод фотодиода подключен к первому входу масштабного усилителя, выход которого соединен с вторым входом нуль-opraна, анод фотодиода и второй вход масштабного усилителя подключены к шине нулевого потенциала.

На фиг. 1 представлена Олок-схема устройства, на фиг. 2 — схема отдельного рецептора, на фиг. 3 — заBHcHMocTb U 1(Н), на фиг. 4 и 5 временные диаграммы.

Устройство для моделирования нейрона содержит и рецепторов 1 <-1>, входы которых являются входами устройства, и блоков изменения синаптических весов 2„-2и, выполненных в виде цифровых йнтеграторов, управляющие входы 3„-3„ подключены к входам подынтегральнйх функций (вторые входы ) цифровых интеграторов 2„-2 „, первый сумматор 4, который осуществляет пространственное суммирование входнык сигналов, первый цифровой интегратор 5, вход 6 которого соединен с вторым входом интегратора 5 и управляет изменением веса пространственного суммирования, второй сумматор 7, второй цифровой интегратор 8, вхад подыйтегральной функции которого подсоединен к входу 9, управляющему изменением длительности временного суммирования. Вход переменной интегрирования интегратора 8 объединен с выходом цифрового интегратора 10 и подключен к входу переменной интегрирования цифрового интегратора 11, выход которого является выходом устройства, а вход подынтегральной функции соединен с входом 12,служащим для изменения значения веса

ВыхОднОЙ Величины, цифрОВОЙ инте I ратор 13, вход подынтегральной функции которого подсоединен к и>:оду 14, -управляющему изменением порога.

Интеграторы 8 и 10 и сумматор 7 образуют блок временного суммирования входных сигналов. Входы переменных интегрирования интеграторон 10 и 13 объединены и подключены к входу

15, служащему для подачи приращений независимой переменной.

Рецептор содержит фотОдиод 16, масштабный усилитель 17 с резисторами 18 и 19, нуль-орган 20, представляющий собой дифференциальный усилитель 21 с резистором 22 в цепи обрат15 ной связи, декадный делитель напряжения 23, двоичный счетчик 24, линию задержки 25, коммутатор 26 и генератор импульсов 27.

Рассмотрим сначала работу отдельЩ ного рецептора (фиг. 2) .

Фотодиод 16 позноляет получить зависимость напряжения И (получаемого на Выходе фотодиода) от освещенности Н внешней среды. Максимальное значение. напряжения, получаемого на выходе фотодиода, очень незначительно (порядка сотен милливольт),поэтому для работы .остальной части схемы его необходимо усилить. Для этой цели служит усилитель 17, обладающий необходимым коэффициентом усиления, который определяется значением резистора 18, включенного н цепи отрицательной обратной связи с выхода на инверсный вход усилителя 17. Напряжение с выхода усилителя 17 поступает на инверсный вход усилителя 21. Генератор 27, делитель напряжения 23 и двоичный счетчик 24 служат для формирования ступенчатого пилообразного

40 напряжения. Импульсы прямоугольной формы 0 от генератора импульсов 27 поступают на вход двоичного счетчика 24, на выходе которого формируются параллельные двоичные числа,рав- ные числу импульсов, просчитанных счетчиком в данный момент времени.

Двоичные числа с выхода счетчика 24 поступают на вход декадного делителя напряжения 2.3, на выходе которого 0 формируется ступенчатое пилообразное напряжение. Число ступенек напряжения н выходном сигнале делителя напряжения 23 в данный момент времени равно числу импульсов, просчитанных счетчиком 24 к этому же моменту времени, т.е. ранно двоичному числу, появляющему в этот же момент времени на выходе счетчика 24. Максимальное количество ступенек в выходном сигнале равно коэффициенту пересчеd0 та счетчика 24. Как только число просчитанных счетчиков 24 импульсов сравняется с его коэффициентом пересчета, счетчик 24 обнуляется и напря жение на выходе делителя напряжения

23 сбрасывается в ноль. Таким обра883927

d0 зом, при отсутствии входного сигнала на инверсном входе усилителя 21 на его прямой вход периодически поступает ступенчатое пилообразное напряжение с выхода делителя напряжения 23.

Выходная характеристика Uz декадного делителя напряжения изображена на фиг. 4.

Временная диаграмма, поясняющая работу рецептора при поступлении ва него сигналов иэ внешней среды, представлена на фиг. 5. При поступлении световых сигналов иэ внешней среды на фотодиод 16 на выходе усилителя

17 появляется постоянное напряженйе

Оу„, соответствующее освещенности фотодиода под действием этих световых сигналов. Это напряжение поступает ..на инверсный вход усилителя 21, на прямой вход которого подается ступенчатое пилообразное напряжение Озз выхода делителя напряжения 23 (Фиг. 5a) . Как только величина сту:пенчатого пилообразного напряжения

Uy> станет равна значению напряжения U на выходе усилителя 21 появляется перепад напряжения Оу(фиг.56).

Этот перепад Uyz удерживается до тех пор, пока напряжение U < не пройдет через линию задержки 25 (фиг.2) и не сбросит содержимое счетчика 24 в нуль. В момент обнуления счетчика

24 величина выходного напряжения U > делителя напряжения 23 также падает до нуля (фиг. 5a), что влечет за собой, в свою очередь, об-— ратный перепад напряжения U> на выходе усилителя 21 (фиг. 56), т.е. напряжение U также становится равным нулю.

Таким образом, на выходе усилителя 21 формируется импульс, длительность которого определяется временем задержки линии задержки 25 (фиг. 56) .

Длительность переднего и заднего фронтов этого импульса определяется величиной резистора 22, включенного в цепи положительной обратной связи усилителя 21, с выхода на прямой вхор этого усилителя. После обнуления счетчика 24 весь процесс формирования импульса на выходе усилителя 21 повторяется. Таким образом, на выходе усилителя 21 будут появляться импульсы (фиг. 56), частота которых пропорциональна освещенности внешней среды. Чем больше освещенность, тем больше частота следования импульсов на выходе 21 и наоборот.

Перепад напряжения, появляющийся на выходе 21 при равенстве напряжений на его входах, поступает не только на вход линии задержки 25, но и на вход коммутатора 26 (фиг. 2).По этому сигналу содержимое счетчика

24, сформированное к моменту появления перепада напряжения на выходе усилителя 21, пропускается коммутатором на выход рецептора. Лишь только после этого сигнал с выхода усилителя 21, задержанный линией задержки 25, сбросит содержимое счетчика 24 в ноль. Таким образом, на выходе рецептора можно получить либо последовательность импульсов, частота следования которых пропорциональна освещенности внешней среды, либо двоичные числа, значения которых также пропорциональны этой освещенности.

Это необходимо, так как в устройство для моделирования нейрона могут использоваться либо интеграторы с одноразрядными приращениями, либо интеграторы с многоразрядными приращениями, Информация об освещенности внешней среды с выходов рецепторов 1 (i = l,...n) (фиг. 1) поступает на входы переменных интегрирования цифровых интеграторов 2,-2„, в которых умножается на значения синаптических весов, записанные через входы 31-3 в регистры подынтегральных функций этих интеграторов. Полученные произведения с выходов интеграторов 2„-2 поступают на входы сумматора 4, где осуществляется пространственное суммирование входных сигналов. Полученная сумма поступает на вход интегратора 5, в котором умножается на вес пространственного суммирования,записанный через вход б в регистр подынтегральной функции этого интегратора. Произведение с выхода интегратора 5 поступает на первый вход сумматора 7, на второй вход которого с выхода интегратора 13 подается произведение значений порога и .независимой переменной, причем значение порога записывается в регистр подынтегральной функции интегратора 13 череэ вход 14, а приращение независимой переменной поступает на вход переменной интегрирования интегратора 13 через вход 15. В этот же момент времени значение результата временного суммирования, полученное на предыдущем шаге (на первом шаге оно равно нулю) и хранящееся в регистре подынтегральной функции интегратора 10, умножается в этом интеграторе на приращение независимой переменной (задаваемое со входа 15) и поступает на вход переменной, интегрирования интегратора 8, в котором дополнительно умножается на значение длительности временного суьмирования, записанное в регистр подынтегральной функции интегратора 8 через вход 9 и подается на третий вход сумматора 7. Результат временнбго.суммирования, полученный на данном шаге в сумматоре, поступает на вход подынтегральной функции интегратора 10, в котором суммируется со значением временной суыкы, полученной на предыдущем шаге. Посла суммирования значение временной сум-

883927 мы в следующем шаге умножается в интеграторе 10 на значение независимой переменной, поступающее со входа 15.

Полученное произведение с выхода интегратора 10 поступает на вход переменной интегрирования интегратора 11, в котором умножается на значение веса выходной величины, записанное в регистр подынтегральной функции интегратора 11 через вход 12. Если. ! полученное в интеграторе 11 произведение больше нуля, то на выходе устройства появляется сигнал. Если произведение отрицательное, то сигнал на выходе устройства отсутствует.

Таким образом, введение рецепторов по каждому из входов предлагаемого устройства позволяет ему воспринимать и производить обработку световой. информации, поступающей непосредственно из окружающей среды.

Формула изобретения

1. Устройство для моделирования нейрона по авт. св. Р 682910, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что,с целью расширения функциональных воэможностей эа счет возможности обработки световой информации, в него введены и рецепторов, выходы которых подключены к первым входам и блоков изменения синаптических весов, входы п рецепторов являются входами устройства.

2. Устройство по п. 1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что, рецептор содержит масштабный усилитель, фотодиод, декадный делитель напряжения, линию задержки, коммутатор, нульорган, двоичный счетчик и генератор импульсов, выход которого подключен к счетному входу двоичного счетчика,, информационные выходы которого соединены с первым входом коммутатора и со входами декадного делителя напряжения, выход которого подключен к первому входу нуль-органа, выход которого соединен с вторым входом коммутатора и через линию задержки — с установочным входом двоичного счетчика, выход коммутатора является выходом рецептора, катод фотодиода,под2Î ключен к первому входу масштабного усилителя, выход которого соединен с вторым входом нуль-органа, анод фотодиода и второй вход масштабного усилителя подключен к шине нулевого .потенциала.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 682910, кл. 6 06 G 7/60, 1977 (прототип) 883927

Uyg

Составитель И.Дубинина

Редактор В.Еремеева Техред M.Iîëèíêà Корректор С. Щомак

Заказ .10234/75 Тираж 748 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4