一种忆阻细胞神经网络的电路设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于非线性动力学和神经网络领域，特别涉及忆阻器等效电路构建和系统 多参数控制技术。
【背景技术】
[0002] 1971年，美国华裔教授蔡少棠（Chua)根据电路变量完备性理论首次提出了忆阻 器（Memristor)，创造性地将磁通和电荷关系通过该新型元件有机联系起来，这是继电阻、 电容、电感三大电路基本元件外的第四类电路元件。2008年美国惠普（HP)实验室Strukov 等利用钛的氧化物薄膜，成功研制出一种非线性的无源二端的忆阻器的纳米模型，将Chua 理论在实际应用中得以实现。由于忆阻器其特殊的记忆和非线性特性，近年来国内外广大 学者从数学和物理的角度探索不同模型的忆阻器的性质及应用。
[0003] 细胞神经网络（Cellular Neural Network, CNN)由 Chua 和 Yang 于 1988 年提出， 是一种局部互连、双值输出的信号非线性模拟处理器，具有连续实时、能高速并行计算、适 用于超大规模集成电路（Very Large Scale Integration, VLSI)实现等特点。二十多年来 CNN研宄的成果已广泛应用于生物医学、图像处理、自动控制、模式识别、信号处理、保密通 信等诸多领域。CNN电路的理论设计和硬件实现是依据人脑生物神经网络对信息处理机制 的简化模拟，与生物神经元不同，CNN细胞神经元之间的联系主要由权值模板控制，模板的 不同体现出的非线性特征也各异，而具有记忆特性的忆阻器可被应用于神经元与神经元之 间的机能连接点（突触），芬兰图尔库大学Krieg用SPICE模拟仿真忆阻模型，将其应用到 CNN细胞的权值电路中，日本福冈工业大学Itoh和Chua将分段线性忆阻应用到细胞自动机 中实现逻辑运算和图像处理等功能。大量研宄表明用忆阻实现的CNN表现出了良好的智能 特性和潜在应用前景。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提出一种新型忆阻细胞神经网络的电路设计方法，在传统细胞神 经网络的基础上，利用忆阻器的非线性特性实现细胞神经网络的输出模块，替换传统细胞 神经网络电路中的电阻得出一个三维的新型忆阻细胞神经网络。本发明将传统细胞神经网 络电路降低了复杂度，省略了电路电阻的一些约束条件，使整体电路集成度更高，实现起来 更简单。
[0005] 本发明是通过一下技术方案实现的。
[0006] 本发明包括以下步骤：
[0007] (S1)根据传统细胞神经网络模型，构建一个新的三维细胞神经网络，通过调节参 数设置使系统呈现混沌现象。
[0008] (S2)采用Multisim通用电路元件构建（S1)中设计的三维细胞神经网络电路。
[0009] (S3)基于分段线性磁控忆阻器模型，通过设置相应参数使得与（S1)中构建的三 维细胞神经网络的非线性输出函数相对应。
[0010] (S4)在（S1)构建的三维细胞神经网络系统方程中，利用（S3)设计的忆阻器模型 替换传统非线性输出部分，得到新的忆阻三维细胞神经网络模型。
[0011] (S5)采用Multisim通用电路元件构建（S3)中设计的磁控忆阻等效电路。
[0012] (S5)在传统三维细胞神经网络电路（S2)中，采用（S5)设计的忆阻器等效电路替 换（S2)中非线性输出部分的电阻，用电路设计仿真方式验证（S4)设计的新型忆阻细胞神 经网络的混沌现象。
[0013] 进一步说，本发明的具体步骤如下：
[0014] 步骤1 :传统三维细胞神经网络系统模型的构建。
[0015] 细胞单元C(i，j)的状态方程为：
【主权项】
1. 一种忆阻细胞神经网络的电路设计方法，其特征是包括w下步骤： (51) 根据传统细胞神经网络模型，构建一个=维细胞神经网络，通过调节参数设置使 系统呈现混浊现象； (52) 采用Multisim通用电路元件构建（S1)中设计的S维细胞神经网络电路； (53) 基于分段线性磁控忆阻器模型，通过设置相应参数使得与（S1)中构建的=维细 胞神经网络的非线性输出函数相对应. (54) 在（S1)构建的S维细胞神经网络系统方程中，利用（S3)设计的忆阻器模型替换 传统非线性输出部分，得到新的忆阻=维细胞神经网络模型； (55) 采用Multisim通用电路元件构建（S3)中设计的磁控忆阻等效电路； (S5)在传统S维细胞神经网络电路（S2)中，采用（S5)设计的忆阻器等效电路替换 (S2)中非线性输出部分的电阻，用电路设计仿真方式验证（S4)设计的新型忆阻细胞神经 网络的混浊现象。
【专利摘要】一种忆阻细胞神经网络的电路设计方法，通过构建一个新的三维细胞神经网络，利用忆阻器的非线性特性实现细胞神经网络的输出模块，替换传统细胞神经网络电路中的电阻，得出一个三维的忆阻细胞神经网络。采用Multisim通用电路元件构建磁控忆阻等效电路，将其应用到传统细胞神经网络电路中后，对整体忆阻细胞神经网络电路进行分析得出有混沌现象的系统。本发明方法不仅简化了输出模块电路，而且避免了电阻的一些限制条件，使其实现起来更简洁。本发明充分体现了忆阻器的非线性和记忆特性的优势，用忆阻实现的细胞神经网络系统具有良好的智能特性和潜在应用前景。
【IPC分类】G06N3-02, G06F17-50
【公开号】CN104573238
【申请号】CN201510009830
【发明人】张小红, 廖琳玉, 钟小勇
【申请人】江西理工大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月9日