基于FPGA的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實現(xiàn)方法

摘要：為了改變人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究僅僅局限于算法，只是在通用的串行或并行計算機(jī)上模擬實現(xiàn)的現(xiàn)狀，針對函數(shù)逼近問題，將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)分為3個模塊，采用VHDL語言完成對各個模塊的硬件描述，并使用Altera公司的QualtusII 6．1綜合軟件進(jìn)仿真和調(diào)試，然后在Cyc-loneII系列FPGA上實現(xiàn)了能夠進(jìn)行片上學(xué)習(xí)并完成函數(shù)逼近的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。測試結(jié)果證明，該系統(tǒng)能夠很好地完成在線學(xué)習(xí)，并能滿足一般系統(tǒng)應(yīng)用的速度和精度的要求，驗證了該方法的有效性。
關(guān)鍵詞：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；硬件實現(xiàn)；FPGA；片上學(xué)習(xí)；函數(shù)逼近

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由大量的神經(jīng)元通過特殊形式的加權(quán)網(wǎng)絡(luò)相互聯(lián)接而形成的，可以認(rèn)為：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由兩種基本單元構(gòu)成，即收集信號并且完成非線性變換的神經(jīng)元胞，以 及完成各神經(jīng)元之間的加權(quán)互連的突觸。標(biāo)準(zhǔn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)VLSI的實現(xiàn)方式是在單個芯片上集成多個神經(jīng)元和突觸單元，并且將它們按某種通信結(jié)構(gòu)組成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 系統(tǒng)，此外，還有基于ASIC結(jié)構(gòu)的，針對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算特點進(jìn)行優(yōu)化和簡化設(shè)計的FPGA
實現(xiàn)方式，以及基于商業(yè)處理器(如數(shù)字信號處理、RISC單片處理等)的模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多處理器結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方式。
衡量一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性能的重要指標(biāo)是快速性和適用性，而FPGA的集成度已經(jīng)達(dá)到百萬門級，用FPGA構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時，可以靈活地實現(xiàn)各種運(yùn)算功能和學(xué)習(xí)規(guī) 則，并且設(shè)計周期短、系統(tǒng)速度快、可靠性高、輸入輸出接口靈活、幾乎可以和任何形式的并行、串行接口及并行、串行A／D或D／A，DSP等連接，同時由于 可以將整個系統(tǒng)都集成在單個芯片內(nèi)，因而抗干擾性能極強(qiáng)，使其在自動控制、故障診斷、模式識別，圖像獲取、DSP應(yīng)用、嵌人式系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前 景。所以，F(xiàn)PGA無疑是首選的實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的硬件芯片。

1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理
BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)即誤差后向傳播網(wǎng)絡(luò)，是一種前饋網(wǎng)絡(luò)，由輸入層、隱含層和輸出層構(gòu)成。隱含層通過作用函數(shù)執(zhí)行一種固定不變的非線性變化，將輸出空間映像 到一個新的空間，輸出層節(jié)點則在該新空間進(jìn)行線性加權(quán)組合。BP算法用于多層網(wǎng)絡(luò)，對于線性情況，多層網(wǎng)絡(luò)可以簡單到只有一個輸入層節(jié)點和輸出層節(jié)點，而 沒有隱含層(中間層)。實際上，大多數(shù)自然、經(jīng)濟(jì)和社會系統(tǒng)及其影響因素是非常復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，它不僅有輸入層節(jié)點及輸出層節(jié)點，而且還可以有一層至多 層隱含層節(jié)點。權(quán)值為零，說明相連的兩個神經(jīng)元不發(fā)生作用，若為負(fù)，說明相連的兩個神經(jīng)元之間相互抑制。此外，對于隱含層及輸出層的各神經(jīng)元而言，它還有 一個閾值，其作用是調(diào)節(jié)神經(jīng)元的興奮水平。當(dāng)有信息輸入網(wǎng)絡(luò)時，該信息首先由輸入層傳至隱含層節(jié)點，經(jīng)特性函數(shù)作用后，再傳至輸出層輸出，其間每經(jīng)過一層 都要由相應(yīng)的特性函數(shù)進(jìn)行變換。節(jié)點的特性函數(shù)要求是可微的，通常選用S型函數(shù)，特性函數(shù)通常取Sigmoid函數(shù)，本系統(tǒng)選用Sigmoid函數(shù)，即和作為特性函數(shù)，具有較好的收斂性，模擬結(jié)論也比較符合實際情況。

2 BP學(xué)習(xí)算法描述
BP網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點都有一個狀態(tài)變量xi，節(jié)點i到節(jié)點j有一個連接權(quán)系數(shù)wji，每個節(jié)點都有一個閾值θj，每一個節(jié)點定義一個變換函數(shù)fj[xi，wji，θj(i≠j)]，最常見的形式為

為了方便起見，將閾值θ作為神經(jīng)元權(quán)值的第一個分量加到權(quán)值中去，那么輸入向量就應(yīng)增加一項，可設(shè)輸入向量的第1個分量固定為l，這樣的形式就可變?yōu)?img onload="if(this.width>620)this.width=620;" onclick="window.open(this.src)" style="cursor:pointer" border="0" src="http://editerupload.eepw.com.cn/fetch/20131118/191453_1_4.jpg" alt="e.JPG" />。
一個3層單輸入、單輸出、n個隱節(jié)點的BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖l所示。