[發(fā)明專利]一種基于磁控憶阻器的光滑細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電路設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710242528.3
• 申請(qǐng)日: 2017-04-14
• 公開（公告）號(hào): CN107016200B
• 公開（公告）日: 2021-05-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張小紅;江偉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 江西理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/30
• 分類號(hào): G06F30/30;G06N3/02
• 代理公司: 南昌新天下專利商標(biāo)代理有限公司 36115
• 代理人: 施秀瑾

一種基于磁控憶阻器的光滑細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電路設(shè)計(jì)方法，采用標(biāo)準(zhǔn)細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的反饋模塊和控制模塊參數(shù)，構(gòu)建一個(gè)具有復(fù)雜混沌現(xiàn)象的新型四維細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。用構(gòu)建的光滑非線性磁控憶阻器擬合細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出函數(shù)，并替換傳統(tǒng)的分段線性函數(shù)。采用Multisim電路仿真軟件，根據(jù)基于磁控憶阻器的光滑細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)參數(shù)，設(shè)置其對(duì)應(yīng)的電子元器件的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了其整體電路。本發(fā)明較于傳統(tǒng)細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有更加豐富的動(dòng)力學(xué)特性及混沌現(xiàn)象，可在保密通信、機(jī)器學(xué)習(xí)、圖像處理及車牌識(shí)別等諸多領(lǐng)域加以應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和電子信息科學(xué)領(lǐng)域，涉及細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、憶阻器及電路設(shè)計(jì)與仿真實(shí)現(xiàn)。

背景技術(shù)

憶阻器(Memristor)的概念是1971年美籍華裔科學(xué)家蔡少棠(Chua)提出，其一直被認(rèn)為是除電阻、電容和電感的第四種基本電路元件。2008年，美國(guó)HP實(shí)驗(yàn)室Strukov等利用鈦的氧化物薄膜成功研制出的納米級(jí)憶阻器實(shí)物證實(shí)了憶阻器真實(shí)存在性，日本Itoh等采用分段線性憶阻器構(gòu)建了幾個(gè)憶阻蔡氏振蕩器數(shù)學(xué)模型，加州大學(xué)Muthuswamy教授根據(jù)設(shè)計(jì)的憶阻器混沌電路創(chuàng)造性的焊接出首個(gè)憶阻器混沌電路電路板，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者近年來(lái)在數(shù)學(xué)、物理和材料科學(xué)等方面對(duì)憶阻器也進(jìn)行廣泛而深入的研究，并取得了初步的研究成果。

1988年，Chua和Yang教授在細(xì)胞自動(dòng)機(jī)和Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究基礎(chǔ)上首次提出了細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Cellular Neural Network，CNN)概念。它的每一個(gè)基本電路單元稱為一個(gè)細(xì)胞，包含線性電阻、線性電容、線性和非線性控制電源及獨(dú)立電源。它是一種具有運(yùn)算速度快、可雙值輸出且適合于超大規(guī)模集成電路(VLSI)等優(yōu)點(diǎn)的反饋型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其規(guī)則的局部連接結(jié)構(gòu)非常適合于高速并行信號(hào)處理。大量的研究表明，憶阻細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)展現(xiàn)出了在保密通信、機(jī)器學(xué)習(xí)、圖像處理及車牌識(shí)別等諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提出一種基于磁控憶阻器的光滑細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電路設(shè)計(jì)方法，將傳統(tǒng)的分段線性輸出函數(shù)用光滑非線性磁控憶阻器替換以實(shí)現(xiàn)新型細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出模塊，構(gòu)建一種基于磁控憶阻器的光滑細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明基于對(duì)該系統(tǒng)的相圖軌跡、平衡點(diǎn)、Lyapunov指數(shù)和維數(shù)及分叉圖的研究發(fā)現(xiàn)，其相較于傳統(tǒng)細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有更加豐富的動(dòng)力學(xué)特性及混沌現(xiàn)象。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。

本發(fā)明所述的一種基于磁控憶阻器的光滑細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電路設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

(S01)：采用標(biāo)準(zhǔn)細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，構(gòu)建一個(gè)新型四維細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的反饋模塊和控制模塊參數(shù)，使得該系統(tǒng)具有復(fù)雜混沌現(xiàn)象；

其中為分段線性函數(shù)；t為時(shí)間變量，x₁,x₂,x₃,x₄為系統(tǒng)的四個(gè)狀態(tài)變量。

(S02)：構(gòu)建可擬合細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出函數(shù)的光滑非線性磁控憶阻器模型，并計(jì)算該憶阻器的本構(gòu)關(guān)系；

其中是磁通量，q是與相關(guān)的電荷量，因此，該憶阻器的本構(gòu)關(guān)系為：

其中，v(t)表示憶阻器兩端的電壓，i(t)表示流過(guò)憶阻器的電流。

(S03)：將(S02)構(gòu)建的憶阻器本構(gòu)關(guān)系替換(S01)中細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分段線性函數(shù)模塊f(x_i)，從而得到基于磁控憶阻器的光滑細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；

(S04)：利用Multisim電路仿真軟件，通過(guò)設(shè)置電子元器件的參數(shù)，對(duì)(S02)中光滑非線性磁控憶阻器模型所對(duì)應(yīng)的等效電路模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，驗(yàn)證其是否具有憶阻器本質(zhì)特征；