基于FPGA的电刺激下神经元随机响应及共振实验平台

摘要

本发明提供一种基于FPGA的电刺激下神经元随机响应及共振实验平台，该实验平台的FPGA开发板有FPGA芯片Ⅰ、FPGA芯片Ⅱ、FPGA芯片Ⅲ、FPGA芯片Ⅳ、USB接口模块、SDRAM存储模块；FPGA芯片Ⅱ、FPGA芯片Ⅲ、FPGA芯片Ⅳ分别接收FPGA芯片Ⅰ输出的刺激信号，FPGA芯片Ⅱ、FPGA芯片Ⅲ、FPGA芯片Ⅳ产生的数字信号输入到FPGA芯片Ⅰ中进行计算；FPGA芯片Ⅰ输出的信号输入到USB接口模块中与上位机进行数据通讯，同时输出计算后的信号输入到SDRAM存储模块进行数据存储。有益效果是该平台作为生物神经网络的无动物实验、基于高速运算的FPGA神经元网络实验平台，实现了对现象型和生理型神经元模型的硬件建模，并且能够达到在时间尺度上与真实生物神经元一致。

主权项

一种基于FPGA的电刺激下神经元随机响应及共振实验平台，其特征是：该实验平台包括有相互连接的FPGA开发板(1)和上位机(2)，所述FPGA开发板(1)包括有FPGA芯片Ⅰ(3)、FPGA芯片Ⅱ(4)、FPGA芯片Ⅲ(5)、FPGA芯片Ⅳ(6)、USB接口模块(11)、SDRAM存储模块(12)；USB接口模块(11)包含有依次相连的USB接口芯片(20)，USB接口(21)，串行EEPROM(22)；FPGA芯片Ⅱ(4)、FPGA芯片Ⅲ(5)、FPGA芯片Ⅳ(6)分别接收FPGA芯片Ⅰ(3)输出的刺激信号(23)，FPGA芯片Ⅱ(4)、FPGA芯片Ⅲ(5)、FPGA芯片Ⅳ(6)产生的数字信号输入到FPGA芯片Ⅰ(3)中进行计算；FPGA芯片Ⅰ(3)输出计算后的信号输入到USB接口模块(11)中从而与上位机(2)进行数据通讯，同时FPGA芯片Ⅰ(3)输出计算后的信号到SDRAM存储模块(12)中进行数据存储；在FPGA芯片Ⅰ(3)上用Verilog HDL语言编程搭建分路器(24)、三选一数据选择器(27)，与所述分路器(24)相连有五选一数据选择器(28)、NiosⅡ软核处理器(13)，三选一数据选择器(27)接收FPGA芯片Ⅱ(4)、FPGA芯片Ⅲ(5)、FPGA芯片Ⅳ(6)输出的信号进行数据选择；FPGA芯片Ⅰ(3)上包含的NiosⅡ软核处理器(13)输出神经元模型选择信号(25)、刺激类型选择信号(26)分别到三选一数据选择器(27)、五选一数据选择器(28)中进行控制；所述FPGA芯片Ⅱ(4)、FPGA芯片Ⅲ(5)、FPGA芯片Ⅳ(6)采用Verilog HDL语言编程搭建Morris‑Lecar神经元模型(7)、FHN神经元模型(8)、Hodgkin‑Huxley神经元模型(9)；在FPGA芯片Ⅰ(3)上采用Verilog HDL语言搭建三选一数据选择器(27)、直流刺激信号发生器(15)、正弦信号发生器(16)、脉冲信号发生器(17)、高斯白噪声发生器(18)、有色噪声信号发生器(19)，直流刺激信号发生器(15)、正弦信号发生器(16)、脉冲信号发生器(17)、高斯白噪声发生器(18)、有色噪声信号发生器(19)均与五选一数据选择器(28)相连；所述Morris‑Lecar神经元模型(7)、FHN神经元模型(8)、Hodgkin‑Huxley神经元模型(9)三种模型产生的数字信号传输到FPGA芯片Ⅰ(3)进行数据选择，由三选一数据选择器(27)选择的神经元膜电位信号(14)传输到USB接口模块(11)中与上位机(2)进行数据通信；所述上位机(2)通过C++编程实现人机操作界面(10)并通过USB接口模块(11)与FPGA芯片Ⅱ(4)、FPGA芯片Ⅳ(6)进行通讯，计算数据存储在SDRAM模块(12)中；所述Morris‑Lecar神经元模型(7)、FHN神经元模型(8)、Hodgkin‑Huxley神经元模型(9)通过Verilog HDL语言编程，并分别编译下载到FPGA芯片Ⅰ(3)、FPGA芯片Ⅱ(4)、FPGA芯片Ⅲ(5)、FPGA芯片Ⅳ(6)中，所述人机操作界面(10)输入的信号通过USB接口模块(11)传到FPGA芯片Ⅰ(3)中，通过FPGA芯片Ⅰ(3)片上的NiosⅡ软核处理器(13)对三选一数据选择器(27)输出控制指令，进行对数据通路的选择，同时NiosⅡ软核处理器(13)输出控制指令到USB接口模块(11)，从而实现对USB数据传输的控制；Morris‑Lecar神经元模型(7)、FHN神经元模型(8)、Hodgkin‑Huxley神经元模型(9)分别通过Morris‑Lecar神经元流水线模型(32)、FHN神经元流水线模型(33)、Hodgkin‑Huxley神经元流水线模型(34)基于欧拉法离散化计算，产生信号传输到三选一数据选择器(27)中进行数据选择产生神经元膜电位信号(14)，并通过NiosⅡ软核处理器(13)传输到人机操作界面(10)中，进行波形显示与数据分析处理操作。