Устройство для моделирования нейрона Советский патент 1981 года по МПК G06G7/60 

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

По основному авт. св. № 682910 известно устройство для моделирования нейрона, содержащее ш блокор изменения синаптических весов, первые входы которых являются входами устройства, а выходы соединены со входами первого сумматора, второй сумматор и пять цифровых интеграторов , выход первого сумматора подключен к первому входу первого цифрового интегратора, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, выход которого подключен к первому входу второго цифрового интегратора, выход которого соединен р 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 одному управляющему входу устройства, вторые входы п 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,

to поступающей на входы устройства при использова:нии в нем цифровых интеграторов с одноразрядными приращениями, используются импульсные потоки одноразрядных приращений, которые пред15ставляют собой импульсные последовательности определенной частоты. При использовании в устройстве цифровых интеграторов с многоразрядными приращениями в качестве исходной информа20ции, поступающей на входы устройства, используются двоичные коды Ц.

Однако устройство не позволяет производить -обработку зрительной информации, поступающей в виде световых

25 сигналов непосредственно из окружающей среды, что снижает функциональные возможности устройства и ограничивает возможности его использования в качестве элемента зрительных анали30заторных структур, широко испольэуемых при проектировании интегральных роботов.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет возможности обработки световой информации.

Указанная, цель достигается тем, что в устройство для моделирования неПрона введены п рецепторов, выходы которых подключены к первьом вхо- Дам п блоков изменения синаптических весов, входы п 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 выходом рецептора, катод фотодиода подключен к первому входу масштабного усилителя, выход которого соединен с вторым входом нуль-органа, 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 - зависимость и f{H), на фиг. 4 и 5 временные диаграммы.

Устройство для моделирования нейрона содержит п рецепторов 1 ,,-lf, входы которых являются входами устройства, п блоков изменения синаптических весов , выполненных в виде цифровых интеграторов, управляющие входы подключены к входам подынтегральных функций (вторые входы) цргфровых интеграторов „, первый сумматор 4, который осуществляет пространственное суммирование входных сигналов,первый цифровой интегратор 5, вход 6 которого соединен с втоцдам входом интегратора 5 и управляет изменением веса пространственного суммирования, второй сумматор 7, второй цифровой интегратор 8, вхощ 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 интег-рятор 13, вход подынтегральной функции которого подсоединен к 14, -управляющему изменением порога. Интеграторы 8 и 10 и сумматор 7 образуют блок временного суммирования

5 входных сигналов. Входы переменных интегрирования интеграторов 10 и 13 объединены и подключены к входу 15, служащему для подачи приращений независимой переменной.

0

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 обрат5ной связи, декадный делитель напряжения 23, двоичный счетчик 24, линию задержки 25, коммутатор 26 и генератор импульсов 27,

Рассмотрим сначала работу отдельного рецептора (фиг, 2),

0

Фотодиод 16 позволяет получить зависимость напряжения И (получаемого на выходе фотодиода) от освещенности Н внешней среды. Максимальное значение.напряжения, получаемого на

S выходе фотодиода, очень незначительно (порядка сотен милливольт),поэтому для работы-остальной части схемы его необходимо усилить. Для этой цели служит усилитель 17, обладающий

0 необходимым коэффициентом усиления, который определяется значением резистора 18, включенного в цепи отрицательной обратной связи с выхода на инверсный вход усилителя 17, Напряже5ние с выхода усилителя 17 поступает на инверсный вход усилителя 21, Генератор 27, делитель напряжения 23 и двоичный счетчик 24 служат для формирования ступенчатого пилообразного

0 напряжения. Импульсы прямоугольной формы генератора импульсов 27 поступают на вход двоичного счетчика 24, на выходе которого формируются параллельные двоичные числа,равные числу импульсов, просчитанных

5 счетчиком в данный момент времени. Двоичные числа с выхода счетчика 24 поступают на вход декадного делителя напряжения 23, на выходе которого формируется ступенчатое пилообразное

0 напряжение. Число ступенек напряжения в выходном сигнале делителя напряжения 23 в данный момент времени равно числу импульсов, просчитанных счетчиком 24 к этому же моменту вре5мени, т.е. равно двоичному числу, появляющему в этот же момент времени на выходе счетчика 24, Максимальное количество ступенек в выходном сигнале равно коэффициенту пересче0та 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 образом, 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 Цд декадмого делителя напряжения изображена на фиг. 4.

Временная диаграмма, поясняющая работу рецептора при поступлении на него сигналов из внешней среды,представлена на фиг. 5. При поступлении световых сигналов из внешней среды на фотодиод 16 на выходе усилителя 17 появляется постоянное напряжение Uy , соответствующее освещенности фотодиода под действием этих световых сигналов. Это напряжение поступает ..на инверсный вход усилителя 21, на прямой вход которого подается ступенчатое пилообразное напряжение выхода делителя напряжения 23 (фиг. 5а). Как только величина сту:пенчатого пилообразного напряжения иу станет равна значению напряжения Uy , на выходе усилителя 21 появляется перепад напряжения иу,,(фиг. 5б) Этот перепад Uy удерживается до тех пор, пока напряжение Uy. не пройдет через линию задержки 25 (фиг.2) и не сбросит содержимое счетчика 24 в нуль. В момент обнуления счетчика 24 величина выходного напряжения делителя напряжения 23 также падает до нуля (фиг. 5а), что влечет за собой, в свою , об- ратный перепад напряжения на выходе усилителя 21 (фиг. 56), т.е. напряжение UNJO 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 вхо этого усилителя. После обнуления счетчика 24 весь процесс формирования импульса на выход 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.

0

I Это необходимо, так как в устройство для моделирования нейрона могут использоваться либо интеграторы с одноразрядными приращениями, либо интеграторы с многоразрядными приргцце5ниями.

Информация об освещенности внешней среды с выходов рецепторов Ij ( 1, ...п) (фиг. 1} поступает на входы переменных интегрирования циф0ровых интеграторов , в которых умножается на значения синаптических весов, записанные через входы , в регистры подынтегральных функций этих интеграторов. Полученные произведения с выходов интеграторов

S поступают на входы сумматора 4, где осуществляется пространственное суммирование входных сигналов. Полученная сумма поступает на вход интегратора 5, в котором умножается на вес

0 пространственного суммирования,записанный через вход б в регистр подынтегральной функции этого интегратора. Произведение с выхода интегратора 5 поступает на первый вход сумма5тора 7, на второй вход которого с выхода интегратора 13 подается произведение значений порога и независимой переменной, причем значение порога записывается в регистр подынтег0ральной функции интегратора 13 через вход 14, а приращение независимой переменной поступает на вход переменной интегрированияинтегратора 13 через вход 15. В этот же момент времени значение результата временного

5 суммирования, полученное на предыдущем шаге (на первом шаге оно равно нулю) и хранящееся в регистре подынтегральной функции интегратора 10, умножается в этом интеграторе на при0ращение независимой переменной (задаваемое со входа 15) и поступает на вход переменной .интегрирования интегратора 8, в котором дополнительно умножается на значение длительности

5 временного суммирования, записанное в регистр подынтегральной функции интегратора 8 через вход 9 и подается на третий вход сумматора 7. Результат временного-суммирования, получен0ный на данном шаге в сумматоре,поступает на вход подынтегральной функции интегратора 10, в котором суглчируется со значением временной суммы, полученной на предыдущем шаге. После суммирования значение временной суммы 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 рецепторо по каждому из вхОдов предлагаемого устройства позволяет ему воспринимат и производить обработку световой, информации, поступающей непосредственно из окружающей среды. Формула изобретения 1. Устройство для моделирования нейрона по авт. св. № 682910, о тл и ч а ю ад е е с я тем, что,с цель расширения функциональных возможностей за счет возможности обработки световой информации, в него введены п рецепторов, выходы которых подключены к первым входам п блоков изменения синаптических весов, входы п рецепторов являются входами устройства . 2. Устройство по п. 1, отличающееся 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,подключен 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 № 682910, кл. G Об G 7/60, 1977 (прототип}..

Выход

устроастВв

ПППП ПРП П Д ллл

п п д