Устройство для моделирования нейрона

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИ ЕИДЬСТВУ Союз Советских Социалистических Респубпик(22) Заявлено 30,0579 (21) 2773256/18-24 (51) М. КЛ,с присоединением заявки Ио(23) Приоритет С 06 С 7/60 Госудррствеииый комитет СССР ио делам изобретеиий и открытий(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 анализа- торных структур в робототехнике.По основному авт. св. Р 682910 известно устройство для моделирования нейрона, содержащее и блоков изменения синаптических весов, пер" вые 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 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 и 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 13,Однако устройство не позволяет производить обработку зрительной информации, поступающей в виде световых сигналов непосредственно из окружающей среды, что снижает функциональные воэможности устройства и ограничивает воэможности его использования в качестве элемента зрительных анализаторных структур, широко испольэуе 883927мых при проектировании интегральных роботов.Цеь изобретения - расширение функциональных воэможностей за счет возможности обработки световой инФормации.Укаэанная, цель достигается тем, что в устройство для моделирования нейрона введень и рецепторов, выходы которых подключены к первым входам 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 вторымвходом 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-органа, анод фотодиода и второй вход масштабного усилителя подключены к шиненулевого потенциала,На фиг. 1 представлена олок-схема устройства, на фиг. 2 - схема отдельного рецептора, на фиг. 3 - зависимость 01(Н), на фиг. 4 и 5временные диаграммы.Устройство для моделирования нейрона содержит и рецепторов 1-1 и,входы которых являются входами устройства, и блоков изменения синаптических весов 2-2 и, выполненных ввиде цифровых йнтеграторов, управляющие входы 3-3 подключены к входам подынтегральнйх функций (вторыевходы ) цифровых интеграторов 2-2 ,первый сумматор 4, который осуществляет пространственное суммированиевходнык 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, вход подынтегральной 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,слуаацям для изменения значения веса выходой величины, цифровой интератор 13, вход подынтегральной функции которого подсоединен к о:оду 14,.управляющему изменением порога.Интеграторы 8 и 10 и сумматор 7 образуют блок временного суммированиявходных сигналов. Входы переменныхинтегрирования интеграторон 10 и 13объединены и подключены к входу15, служащему для подачи приращенийнезависимой 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 обрат ной связи, декадный делитель напряжения 23, двоичный счетчик 24, линиюзадержки 25, коммутатор 26 и генератор импульсов 27.Рассмотрим сначала работу отдель ного рецептора (фиг. 2) .фотодиод 16 позноляет получитьзависимость напряжения И (получаемого на выходе фотодиода) от освещенности Н внешней среды. Иаксимальноезначение. напряжения, получаемого навыходе фотодиода, очень незначительно (порядка сотен милливольт),поэтому для работы остальной части схемыего необходимо усилить. Для этойцели служит усилитель 17, обладающийнеобходимым коэффициентом усиления,который определяется значением резистора 18, включенного н цепи отрицательной обратной связи с выхода наинверсный вход усилителя 17. Напряжение с выхода усилителя 17 поступаетна инверсный вход усилителя 21. Генератор 27, делитель напряжения 23 идвоичный счетчик 24 служат для формирования ступенчатого пилообразного 40 напряжения. Импульсы прямоугольнойформы Оот генератора импульсов 27поступают на вход двоичного счетчика 24, на выходе которого формируются параллельные двоичные числа,рав-ные числу импульсов, просчитанныхсчетчиком в данный момент времени.Двоичные числа с выхода счетчика 24поступают на вход декадного делителя напряжения 23, на выходе которого р формируется ступенчатое пилообразноенапряжение. Число ступенек напряжения н выходном сигнале делителя напряжения 23 в данный момент времениравно числу импульсов, просчитанныхсчетчиком 24 к этому же моменту времени, т.е. ранно двоичному числу,появляющему в этот же момент времени на выходе счетчика 24. Максимальное количество ступенек н выходномсигнале равно коэффициенту пересче та счетчика 24. Как только числопросчитанных счетчиков 24 импульсовсравняется с его коэффициентом пересчета, счетчик 24 обнуляется и напряжение на выходе делителя напряжения23 сбрасывается в ноль. Таким обра5 10 15 20 21 ЗО 35 40 45 50 55 60 зом, при отсутствии входного сигнала на инверсном входе усилителя 21 на его прямой вход периодически поступает ступенчатое пилообразное напряже" ние с выхода делителя напряжения 23,Выходная характеристика Оддекадного 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 Фо. тодиода под действием этих световых сигналов. Это напряжение поступает на инверсный вход усилителя 21, на прямой вход которого подается ступенчатое пилообразное напряжение Оуз с выхода делителя напряжения 23 (фиг. 5 а), Как только величина сту:пенчатого пилообразного напряжения Оу станет равна значению напряжения Оу, на выходе усилителя 21 появляется перепад напряжения Оу(фиг.56). Этот перепад Оу удерживается до тех пор, пока напряжение Оу не пройдет через линию задержки 25 (фиг.2) и не сбросит содержимое счетчика 24 в нуль. В момент обнуления счетчика 24 величина выходного напряжения Оу делителя напряжения 23 также падает до нуля (фиг. 5 а), что влечет за собой, в свою очередь, об- - ратный перепад напряжения Оу на выходе усилителя 21 (фиг. 56), т.е. напряжение Оу 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 внешнейсреды. 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 либопоследсеательность импульсов, частота следования которых пропорциональна освещенности внешней среды, либо двоичные числа, значения которыхтакже пропорциональны этой освещенности.Это необходимо, так как в устройство для моделирования нейрона могутиспользоваться либо интеграторы с одноразрядными приращениями, либо интеграторы с многоразрядными приращениями,Информация об освещенности внешней среды с выходов рецепторов 1( = 1,и) (фиг. 1) поступает навходы переменных интегрирования цифровых интеграторов 2,-2, в которыхумножается на значения синаптическихвесов, записанные через входы 3-3в регистры подынтегральных функцийэтих интеграторов. Полученные произведения с выходов интеграторов 2-2поступают на входы сумматора 4, гдеосуществляется пространственное суммирование входных сигналов. Полученная сумма поступает на вход интегратора 5, в котором умножается на веспространственного 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 свыхода интегратора 13 подается произведение значений порога и .независимой переменной, причем значение порога записывается в регистр подынтегральной функции интегратора 13 черезвход 14, а приращение независимойпеременной поступает на вход переменной интегрирования интегратора 13 че"рез вход 15. В этот же момент времени значение результата временногосуммирования, полученное на предыдущем шаге (на первом шаге оно равнонулю) и хранящееся в регистре подантегральной функции интегратора 10,умножается в этом интеграторе на приращение независимой переменной (задаваемое со входа 15) и поступаетна вход переменной, интегрирования интегратора 8, в котором дополнительноумножается на значение длительностивременного суммирования, записанноев регистр подынтегральной функции ин"тегратора 8 через вход 9 и подаетсяна третий вход сумматора 7. Результат временнОго суммирования, получен"ный на данном шаге в сумматоре, поступает на вход подынтегральной функцииинтегратора 10, в котором суммируется со значением временной суююы,полученной на предыдущем шаге. Послесуммирования значение временной сум 883927мы в следующем шаге умножается в интеграторе 10 на значение независимойпеременной, поступающее со входа 15.Полученное произведение с выхода интегратора 10 поступает на вход переменной интегрирования интегратора 11,в котором умножается на значениевеса выходной величины, записанноев регистр подынтегральной функцииинтегратора 11 через вход 12. Еслиполученное в интеграторе 11 произведение больше нуля, то на выходе устройства появляется сигнал. Если произведение отрицательное, то сигнална выходе устройства отсутствует.Таким образом, введение рецепторовпо каждому из входов предлагаемогоустройства позволяет ему восприниматьи производить обработку световой.информации, поступающей непосредственно из окружающей среды,Формула изобретения1. 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, входып 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 генераторимпульсов, выход которого подключенк счетному входу двоичного счетчикаинформационные выходы которого соединены с первым входом коммутатора исо входами декадного делителя напряжения, выход которого подключен кпервому входу нуль-органа, выход которого соединен с вторым входом коммутатора и через линию задержки - сустановочным входом двоичного счетчика, выход коммутатора является выходом рецептора, катод фотодиода,под О ключен к первому входу масштабногоусилителя, выход которого соединенс вторым входом нуль-органа, анодфотодиода и второй вход масштабногоусилителя подключен к шине нулевого.потенциала. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР Р 682910, кл. 6 06 6 7/60, 1977 (прототип)883927 Составитель И.ДубининаРедактор В.Еремеева Техред М.Голинка С. Щомак о аказ .102 исно илиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул, Проектная,/75 Тираж 748 НИИПИ Государственнопо делам изобретен 13035, Москва, Ж,комитет и открыт ушская СССРйб., д. 4/5