基于FPGA的神经网络数据估计器的设计

摘要

随着禽畜业的发展，为了有效控制畜舍废气的排放，许多禽畜养殖场均使用传感器对场内几种主要的污染气体进行浓度检测，通过测量的数据对超标的废气进行一定的处理。为了保证控制的可靠性，防止因传感器的故障产生错误测量数据，导致现场做出错误的气体处理，需要对测得的一些较为关键性的测量数据进行监控。当现场数据出现错误时，需要采取一定手段，对错误数据进行修复。 本文设计了一个神经网络的数据估计器，通过对现场数据的及时处理，对错误的测量数据重新进行估算，得出与实际数据较接近的数据，为现场控制系统在传感器出现故障时做出合理的处理提供依据。 首先，从神经网络算法结构的角度考虑，研究了基于信息熵的估计神经网络隐结点数目的方法，通过划分决策树，对估计器中神经网络隐含层的数目进行了估算，有效提高了该估计器的性能。其次，从硬件结构的优化角度入手，对神经网络中激励函数的硬件实现方式进行了比较研究，找出较合理的设计方案。最后，该估计器采用自顶向下的设计方法，通过FPGA硬件技术，利用Altera公司低成本的Cyclone系列EPlC6Q240C8芯片全硬件实现该估计器。 为了测试该估计器的性能，本设计对某一饲养场的氨气浓度测量数据进行了分析处理。在实验过程中，该估计器能有效的识别出失真数据，并且其估算结果能够较好的逼近真实数据。实验结果表明：该估计器的运行频率达到了33MHz，最大误差达到了7.8％，基本能满足测控系统对测量数据误差的要求，可以应用到实际系统中去，进一步提高测控系统的测控精度以及可靠性，具有重要的实际意义。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1课题背景及意义

1.2国内外神经网络研究现状

1.3设计思路及实现手段

1.4本论文的主要工作

第二章神经网络的基本原理和结构设计

2.1误差反向传播算法

2.2BP算法的改进

2.3神经网络结构的确定

2.3.1网络的层数的确定

2.3.2基于信息熵隐含层的神经元数的确定

2.3.3学习速率

2.3.4期望误差的选取

第三章估计器关键单元的优化设计

3.1激励函数的设计与选择

3.1.1数据流实现方式

3.1.2查找表方法

3.1.3泰勒级数展开

3.1.4最小平方法

3.1.5分段近似法

3.2 ALU单元的设计

3.2.1 ALU单元的整体结构

3.2.2乘法器的实现

第四章神经网络数据估计器的FPGA实现

4.1神经网络估计器的框图与模块的划分

4.1.1估计器的基本功能及设计原理

4.1.2系统设计模块的划分

4.2检测模块的设计

4.3算法模块的设计

4.3.1隐含前馈层的设计

4.3.2输出层前馈模块的设计

4.3.3输出层反传模块的设计

4.3.4隐含层反传模块的设计

4.3.5输出层更新模块的设计

4.3.6隐含层更新模块的设计

4.3.7权值初始化及更新问题

4.4控制模块的设计

4.4.1时钟的设计

4.4.2控制信号的设计

第五章估计器的测试与仿真

5.1估计器与PC机数据的传输

5.1.1 PCI总线的选择

5.1.2 PCI总线协议的基本原则

5.1.3 PCI接口的实现

5.2估计器的测试与仿真

第六章结论与展望

6.1本文主要完成的工作

6.2后续工作的展望

致 谢

参考文献

附录1：攻读硕士学位期间发表的论文

附录2：养殖场的实验数据