采用FPGA的SOPC技術(shù)研究了傳感器非線性軟件校正的實現(xiàn)

2.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)校正算法

利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)非線性誤差軟件校正的文獻較多，但主要是基于PC機的仿真實驗。單片微處理器由于存儲容量和數(shù)據(jù)總線寬度的限制，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)類型和計算精度只能控制在一定范圍之內(nèi)。SOPC在大規(guī)模集成電路的基礎(chǔ)上，底層電路采用硬件描述語言實現(xiàn)，而軟件算法則在SOPC IDE調(diào)試環(huán)境下采用高級語言，如C語言實現(xiàn)。在本文中，SOPC系統(tǒng)板采用NIOS-Ⅱ軟核微處理器，32 bit總線，工作頻率為50 MHz，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用動量法，在ALTERA公司提供的SOPC IDE調(diào)試環(huán)境下完成。算法處理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 算法測試

本文采用三層前向網(wǎng)絡(luò)，輸入層神經(jīng)元2個，分別代表溫度傳感器ADS90和氣體傳感器TGS813輸入信號，DS18B20的測量值作為AD590的期望值，輸出層神經(jīng)元1個，代表AD590的校正值。

本文共采集了70個樣本對數(shù)據(jù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練采樣動量自適應(yīng)算法，剔除部分不符合要求的樣本，58個樣本作為訓(xùn)練樣本，8個樣本作為測試樣本。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用C語言編程實現(xiàn)，由于微處理器與PC機相比，在工作頻率和總線結(jié)構(gòu)方面還存在很大差距，因此，在計算算法的誤差輸出時，本文采用的是各個訓(xùn)練樣本的絕對誤差的累加和，而不是均方根誤差，這樣，可以避免大量的乘法和開方運算，否則，算法很難收斂。 作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動量法的重要參數(shù)，如果學(xué)習(xí)率參數(shù)選擇的范圍比較窄，那么，網(wǎng)絡(luò)性能的隨機性特點就會非常明顯，不利于網(wǎng)絡(luò)的推廣應(yīng)用。圖3是選擇不同的學(xué)習(xí)率時網(wǎng)絡(luò)輸出誤差的變化情況。測試條件是動量系數(shù)為0.9，增益為1，隱含層節(jié)點6個，算法停止迭代的判斷條件是輸出絕對誤差累加和小于0.01。

圖4是58對訓(xùn)練樣本完成網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后的測試結(jié)果。由于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能受隱含層節(jié)點個數(shù)影響比較大，圖中數(shù)據(jù)是在不同隱含層節(jié)點個數(shù)的條件下得到的，并與MATLAB軟件仿真得到的結(jié)果作了比較。網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的條件：學(xué)習(xí)率為0.1，動量系數(shù)為0.9，增益為1，SOPC停止迭代的判斷條件是輸出絕對誤差累加和小于0.01，MATLAB停止迭代的判斷條件是均方根誤差小于0.0001，圖中，n代表隱含層節(jié)點個數(shù)。

由于采用的是12 bit的A/D轉(zhuǎn)換芯片，采集數(shù)據(jù)送入FPGA系統(tǒng)板后，經(jīng)過歸一化處理，數(shù)據(jù)類型發(fā)生變化。與MATLAB仿真軟件輸出結(jié)果保持一致，基于FPGA的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出取小數(shù)點后4位有效數(shù)字。由圖4可以得出：雖然在個別測試點上基于MATLAB軟件仿真結(jié)果優(yōu)于SOPC的輸出結(jié)果，但在隱含層節(jié)點對算法性能的影響程度上，基于SOPC技術(shù)的輸出受到的影響比較小，穩(wěn)定性好，這與SOPC技術(shù)采用32位字長有很大關(guān)系。

4 結(jié)論

基于FPGA的SOPC技術(shù)不同于IC芯片設(shè)計，它是把已有的模塊資源組合成一個系統(tǒng)，系統(tǒng)的功能直接由載體FPGA芯片實現(xiàn);它又不同于傳統(tǒng)的基于單片微處理器的系統(tǒng)設(shè)計，因為SOPC系統(tǒng)的微處理器性能和外圍接口控制電路都是由用戶編程設(shè)定的，因此，采用SOPC技術(shù)可以節(jié)省成本，提高資源利用率，縮短開發(fā)周期和便于系統(tǒng)升級等特點。本文采用基于FPGA的SOPC技術(shù)研究了傳感器非線性軟件校正的問題。算法的測試結(jié)果證實了方法的可行性。