基于NiosⅡ的FCMAC神经网络的软硬件协同设计与研究

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1、摘要摘要题名：基于NiosII的FCMAC神经网络的软硬件协同设计与研究作者：沈宪明导师：白瑞林专业：控制理论与控制工程神经网络和神经网络控制器一般具有以下特点：一是实时信息处理量远大于控制量，二是信息流多具有实时并行性。现行的冯．诺伊曼结构计算机属于串行时序机，本质上讲，并非是实现神经网络和神经网络控制器的理想选择。随着FPGA与SOPC技术的发展以及高密度、大容量FPGA器件的出现，在FPGA上硬件实现神经网络以及神经网络控制器的研究得到广泛开展，而基于嵌入式软核、可灵活调整神经网络实现后所占芯片面积与处理速度的软硬件协同

2、设计方法还处于起步阶段。本文重点研究FCgAC神经网络辨识与FcMAC-PID神经网络控制器的FPGA实现方法、基于SOPc的FCMAC神经网络可重用IP模块实现方法以及基于NiosII的FCMAC神经网络的软硬件协同设计方法。首先，研究FCMAC神经网络辨识的FPGA实现方法。分析了FCMAC神经网络的结构与算法，并以hiATLAB仿真为依据，得到FCMAC神经网络的FPGA实现所需的参数；在此基础上，对FCMAC神经网络进行硬件模块划分，基于VHDL实现了各硬件模块的功能描述，并对模块结构进行了优化；基于Altera公司的

3、FPGA芯片完成FCMAC神经网络的硬件实现。然后，针对特定被控对象，通过调用FCMAC神经网络模块，完成了FcMAC—PID控制器的硬件设计。接着，在FCMAC神经网络FPGA实现的基础上，通过SOPCBuilder开发平台，完成FCMAC神经网络IP模块的实现，使之成为SOPC开发的可选外设。最后，针对FCMAC神经网络硬件实现耗资源、软件实现速度慢的现状，提出基于Niosll软核的软硬件协同设计与实现解决方案，使得在FCMAC神经网络的实现与使用上更具有灵活性。研究表明：FPGA固有的并行处理能力，是实现Fc姒C神经网络

4、的较好载体。FCMAC神经网络的可在线学习能力使之成为系统辨识的有效工具。基于FPGA构建FCMAC—PID控制器具有设计灵活、能在线调整、可靠性高，开发周期短等优点。FcMAC神经网络IP模块的实现使用户可以方便的调用。采用软硬件协同设计方法，解决了传统神经网络硬件实现耗资源、软件实现速度慢的缺陷。关键词：模糊小脑神经网络，FCMAC—PID控制器，现场可编程门阵列，片上可编程系统，硬件描述语言，软硬件协同设计，NiosII。AbstractTheimpiementationofneuralnetworkandneurAJn

5、etworkconlrollerhascertaincharacteristics．Oneisthatthereal-timeinformationdisposalquantityisfarlargerthanthecontrolquantity．n圮otheristhatmostoftheinformationstreamisreal-timeandparallel．ActuallythearchitectureofVonNeumannisserialanditisnottheidealwaytoimplementthene

6、uralnetworkandneuralnetworkcontrollerinnatural．AsthedevelopmentofFPGAandSOPCtechnology,andtheappearanceofhigh-density、largecapabilityFPGAdevice，theresearchesonFPGAimplementationofneuralnetworkandneuralnetworkcontrollerbecomeactive．But，thesoftware-hardwareco-designme

7、thodbasedonembeddedsoftcorewhichCallflexiblyadjustthechipareaandprocessingspeedoftheimplementedneuralnetworkisatthestepofinitialstages．Inthispaper,theemphasisistostudythemethodsofFCMACneuralnetworkidentificationandFCMAC．PIDcontrollerbasedonFPGA,thereusableFCMACneura

8、lnetworkIPmoduleimplementationmcthodbasedonSOPC。andsoftware．hardwareco-designmethodofFCMACnalralnetworkbasedonNioslI．First,studythemethods