[发明专利]实现液体状态机的脉冲神经网络数模混合电路系统

权利要求书

1.一种实现液体状态机的脉冲神经网络数模混合电路系统，其特征在于：包括A2S编码输入层、SNN计算层、S2A解码层、在线学习与输出控制器和超参数控制器，所述A2S编码输入层将传感器采集的连续的多路模拟信号转换成离散的具有时空分布特征的多通道脉冲信号，输入到SNN计算层，其中A2S编码输入层的每个编码单元对应于一路模拟信号，单元数量M与模拟信号阵列的数量相同，模拟信号转换成脉冲信号的编码算法由超参数控制器选择；

SNN计算层包括N个脉冲神经元电路，通过神经元间可重构互连网络连接，A2S编码输入层与SNN计算层之间通过输入输出可重构互连网络连接，A2S编码单元既可以和全部脉冲神经元电路连接，也可以和部分神经元连接，具体连接方式由超参数控制器确定；

S2A解码层通过输入输出可重构互连网络与SNN计算层及A2S编码输入层连接，S2A解码层包括M+N个S2A解码单元；

在线学习与输出控制器对S2A解码层的输出进行加和运算并与来自A2S输入层的监督信号进行线性回归分析，根据误差结果调整S2A解码层内可重构电阻阵列的阻值，实现信息输出层在线学习的优化闭环；在线学习后，将不再改变S2A解码层内阻值，将其加和运算结果作为分类依据或建模预测的信号输出；

超参数控制器用于决定A2S编码输入层选择的编码算法、SNN计算层中神经元电路的数量及膜电容参数、神经元间网络连接方式、兴奋性突触电路及抑制性突触电路中的可重构电阻阵列的阻值，以及输入输出互连网络的连接拓扑。

2.如权利要求1所述的实现液体状态机的脉冲神经网络数模混合电路系统，其特征在于：所述A2S编码输入单元包括微控制器模块的数字电路部分和脉冲产生部分的模拟电路部分，微控制器模块根据超参数控制器输入选择的A2S编码算法将来自传感器的原始模拟信号编码成离散脉冲序列，微控制器模块将每一个原始信号所对应的标注信息或者训练信号输出给在线学习与输出控制器，作为在线学习的监督信号；

所述模拟电路模块包括电容C_m、泄放电阻R_L、钠通道模块以及钾通道模块，所述电容C_m分别与所述泄放电阻R_L、钠通道模块以及钾通道模块并联，所述电容C_m一端接收内部电流源的输出电流I_out，并在这一端输出膜电压V_mem，作为A2S编码输入层中对应编码单元的输出，电容C_m的另一端接地；

电容C_m接收内部电流源输出的电流信号I_out，电流信号I_out首先对所述电容C_m进行充电，当所述电容C_m的电压大于所述钠通道模块中三极管Q1的开启电压时，所述钠通道模块对可电容C_m以及所述钾通道模块进行充电，用于模拟生物神经元钠离子通道开启，当所述钾通道模块中电容C1的电压大于三极管Q3的开启电压时，所述电容C_m再通过所述钾通道模块进行放电，模拟生物神经元钾离子通道开启，继而钠通道模块产生的钠通道电流停止对电容C_m充电，模拟神经元细胞膜上钠离子通道关闭；最后，电容C_m也停止通过所述钾通道模块放电，内部电流源输出的电流信号I_out继续对电容C_m充电，使电容C_m两端的电压恢复到静息电位，完成一个动作脉冲的产生过程；

所述钠通道模块包括三极管Q1、三极管Q2、电阻R2、电阻R4以及电压源V_Na，所述三极管Q1的基极分为两路，第一路与所述电容C_m一端连接，第二路与三极管Q2集电极连接，所述三极管Q1的发射极经电阻R4接地，所述三极管Q1的集电极与所述三极管Q2的基极连接，所述三极管Q2的发射极经电阻R2与所述电压源V_Na的正极连接，所述电压源V_Na的负极接地，所述三极管Q2的集电极为所述钠通道模块的一个接线端，该接线端与所述钾通道模块的一个接线端连接；

所述钾通道模块包括三极管Q3、电阻R_r、电阻R3、电容C1以及电压源V_K，所述电阻R3的一端分为三路，第一路与所述钠通道模块的一个接线端连接，第二路与电阻R_r的一端连接，第三路与所述神经元电路的输出端连接，所述电阻R3的另一端与所述三极管Q3的集电极连接，所述三极管Q3的发射极与所述电压源V_K的负极连接，所述电压源V_K的正极接地，所述三极管Q3的基极分为两路，第一路与电阻R_r的另一端连接，第二路经电容C1接地；

电容C_m接收外部输入电流信号I_out，其两端的膜电压V_mem不断升高；当膜电压V_mem大于三极管Q1的开启电压时，三极管Q1、三极管Q2开启，三极管Q2集电极输出钠通道电流，对可重构电容阵列进行快速充电，膜电位V_mem迅速升高，该过程用于模拟生物神经元钠离子通道开启，神经元细胞膜外钠离子迅速内流的过程；

钠通道电流对电容C_m快速充电的同时，对钾通道模块中的电容C1缓慢充电，电容C1电压V_r缓慢上升，当所述V_r值大于三极管Q3的开启电压时，三极管Q3打开，电容C_m通过电阻R3、三极管Q3支路放电，三极管Q3发射极输出钾通道电流，膜电压V_mem迅速下降，该过程用于模拟生物神经元钾离子通道开启，神经元细胞膜内钾离子迅速外流而使膜电压V_mem迅速下降的过程，其中V_k为模拟钾通道平衡电压的电压源，该电压源值越大，Q3开启后，Q3发射极输出的钾通道电流就越大，膜电压V_mem下降的速度也越大；

当膜电压V_mem下降到小于三极管Q1的开启电压时，三极管Q1截止，钠通道模块产生的钠通道电流停止对电容C_m充电，该过程用于模拟神经元细胞膜上钠离子通道关闭的过程；

当膜电压V_mem小于静息电位时，三极管Q3若仍然开启，膜电压V_mem继续下降，当膜电压V_mem下降到小于三极管Q3的开启电压时，三极管Q3截止，所述电容C_m停止通过钾通道模块进行放电，外部输入电流信号I_out继续对电容C_m充电，从而使膜电压V_mem恢复到静息电位，从而完成一个动作脉冲的产生过程。