本发明专利技术提供了一种基于FPGA的丘脑皮层异放电状态变论域模糊控制系统，该系统以FPGA作为控制核心建立变论域模糊控制系统，以基于FPGA的丘脑皮层假体硬件模型的正常放电信号和闭环电生理装置得到的异常生理信号作为输入，进行模糊控制的隶属度函数整定与模糊规则判断，输出模糊处理后的控制量变化，反馈于闭环电生理装置中，进行异常放电信号的实时控制调节，直至达到预期正常放电效果，从而实现对丘脑皮层放电状态的有效控制。本发明专利技术的效果是该系统实现了对于丘脑皮层放电状态的实时模糊控制，同时通过模糊推理实现伸缩因子设计，实现了在线估计器和实时变论域模糊控制器相结合的自适应性闭环控制方案，避免了外部刺激特异性的干扰，有效改善神经核团的异常状态。
【技术实现步骤摘要】
基于FPGA的丘脑皮层放电状态变论域模糊控制系统
本专利技术涉及生物医学工程技术，特别是一种基于FPGA的丘脑皮层放电状态变论域模糊控制系统。
技术介绍
神经元中的电活动是通过各种离子电流跨越神经细胞而进行神经信息的传导与处理的，这些跨膜电流包括钠离子通道电流，钙离子通道电流，钾离子通道电流以及漏电流等。在细胞内和细胞外，离子电流的浓度差形成电化学梯度，这种电化学梯度是引起神经细胞兴奋的主要因素。细胞兴奋在宏观上表现为生物电信号的变化，而如何采集测取，并有效控制这些生物电信号，放电状态的调整等构成了细胞生理学的研究内容。近年来，通过施加外部刺激，实现对神经元以及神经网络放电行为的控制引起了控制领域和生物医学领域的广泛关注。PeterA.Tass提出非线性延迟反馈控制，有效实现簇放电神经集群的去同步控制，该控制方法能抵消非线性神经元集群中的异常相互作用，从而恢复神经元正常的放电节律，同时该方法对系统参数摄动和外部噪声的影响具有一定的抗干扰性。TylerStigen等学者利用膜片钳位技术，提出了一种控制周期性放电神经元放电时刻的控制算法，同时将该控制算法延伸到两神经元相对放电时刻的控制问题上。但值得注意的是，目前大多数控制方法依旧存在调节时间过长，控制不及时，难以实现跟踪等问题。此外，目前各种电刺激产品大部分基于开环刺激，开环控制方法简单，但无法根据实际被控对象实时自主的改变刺激参数，需要人为调整对最终控制结果有效性和高效性发挥重要作用的控制参数，对于控制参数的调整和修改更是缺乏有效的指导和规律，只是单纯的根据人为经验测试进行多次尝试给定并不断调整。因而这种开环控制系统严重依赖于人为经验，不具有实践性和普适性，对生物体实时电信号的变化也不具有敏感性。生物神经系统是一个高度复杂的网络系统，对于其生理机制的精确研究仍然存在困难，从而导致选取控制方案的选取需要从神经系统的大量不确定性和盲目性，对生物体个体差异性等问题方面进行考虑。传统的控制方法只适用于控制具有精确模型的线性系统或非线性系统，而对于实际控制过程中常出现的状态时刻都在变化、干扰因素较多、没有准确的模型、多输入多输出的这种复杂系统，采用传统的控制方法将无法得到期望的效果。目前尚无一套完善的基于FPGA的丘脑皮层放电状态模糊控制系统，闭环控制方法部分难以具有实时性与自适应性，调参整定过程过于依赖人为，且控制精度不高，上位机界面尚未完善，无法进行实时的数据读取与分析。
技术实现思路
针对上述其技术不足之处，本专利技术的目的在于提供一种基于FPGA的丘脑皮层变论域模糊控制系统，可以使研究人员无需参数整定，直接以丰富的人工经验作模糊判断，从而有效完成放电状态的相关调整，使得变论域模糊控制能够保持对模糊规则敏感，同时对外部刺激干扰具有较强的自适应性。通过操作界面读取数据，为研究神经元的信息传递，信息监测，放电模式控制，非线性特性等研究提供重要理论依据。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是提供一种基于FPGA的丘脑皮层放电状态变论域模糊控制系统，其中：该控制系统包括有：变论域模糊控制FPGA芯片和丘脑皮层FPGA芯片连接，变论域模糊控制FPGA芯片设有除法器模块、乘法器模块以及信号滤波器，闭环电生理转置与变论域模糊控制FPGA芯片相连接,上位机通过信号采集装置与闭环电生理装置连接；丘脑皮层FPGA芯片上搭建丘脑皮层神经核团模型，丘脑皮层神经核团模型计算的神经元核团输出膜电位信号在神经元膜电位RAM中存储，变论域模糊控制FPGA芯片上包含有依次相连的误差信号获取及模糊化调幅模块、主模糊控制器模块、伸缩因子副模糊控制器模块、NIOSII软核处理器和信号解模糊调幅模块；主模糊控制器模块包含有主模糊控制器模糊化接口模块、主模糊控制器模糊推理模块和主模糊控制器解模糊模块，伸缩因子副模糊控制器模块包含副控制器模糊化接口模块、副控制器模糊推理模块以及副控制器解模糊模块，差信号获取及模糊化调幅模块与闭环电生理装置相连接，输出偏差信号和偏差变化率信号，偏差信号与偏差变化率信号经过伸缩因子副模糊控制器模块输出伸缩因子变化量，得到的伸缩因子变化量经过除法器模块修正论域范围，偏差信号和偏差变化率信号经过主模糊控制器模块输出主控制器变化量，主控制器控制变化量与伸缩因子变化量经过乘法器模块得到变论域模糊控制器输出量，变论域模糊控制器输出量经过信号解模糊调幅模块得到实际控制变化量并输入闭环电生理装置中，进而调节丘脑放电状态；闭环电生理转置接收该实际控制变化量，调节神经元异常放电状态，并将其调节的动态变化通过信号采集装置获取丘脑放电状态采集信号，并传输给上位机进行实时显示与监控。本专利技术的效果是该控制系统实现了变论域模糊控制器的高效建模，以及复杂的丘脑皮层神经核团的网络建模，设计了兼具可视化的人机界面，提高了系统的灵活性和可操作性，能够在真实时间尺度内对神经核团建模并建立实时控制系统，同时该控制系统为研究丘脑皮层放电状态提供了真实时间尺度下的实时实验平台。主要优点有：1、使用FPGA仿真实验模型以及在此基础上构建的模糊控制器，运用并行运算方式，相比于计算机软件仿真的串行方式，FPGA可以大幅度提高数学模型的运算速度，同时解决控制器控制不及时的问题。2、控制算法上，变论域模糊控制算法具有闭环自适应性，相比较于传统控制算法，更加适用于不确定的多输入多输出被控系统，并省去控制参数的整定过程。3、采用FPGA芯片的工作频率可以达到200MHz，硬件实现的时间步长可控在1ms以内，此外数据采集卡采用的是16通道，采样率高达200K/s,可以保持实验平台的时间尺度与真实神经元一致，且在数据传输过程中，精度要求满足，神经信息不会发生信息扭曲和丢失。4、应用可视化上位机界面可以动态显示并实时分析神经元放电状态的调节过程，采用数据采集卡采集数据，可以将采集过程各种的噪声干扰尽量降低，为模糊控制系统提供更清晰的可视化实验平台。5、该闭环控制系统不依赖人为整定，可以对不同被控对象反复进行实验，上位机、数据采集卡、FPGA芯片均可反复配置，提高系统的鲁棒性和可配置性。这种变论域模糊控制方法相对于传统控制算法，更适用于被控对象为复杂的多输入多输出系统的非线性神经系统，对理解神经电生理活动的信息传递，信息监测等机制研究有重要适用价值。附图说明图1为本专利技术的变论域模糊控制系统结构示意图；图2为丘脑皮层的神经核团模型示意图；图3为控制系统的模糊接口模块结构示意图；图4为控制系统的模糊推理模块结构示意图；图5位控制系统的解模糊模块结构示意图。图中：1.变论域模糊控制FPGA芯片2.丘脑皮层FPGA芯片3.闭环电生理装置4.伸缩因子副模糊控制器模块5.主模糊控制器模块6.误差信号获取及模糊化调幅模块7.NIOSII软核处理器8.信号解模糊调幅模块9.信号采集装置10.上位机11.副控制器模糊化接口模块12.副控制器模糊推理模块13.副控制器解模糊模块14.片上乘法器模块15.除法器模块16.偏差信号17.偏差变化率信号18.伸缩因子变化量19.主控制器控制变化量20.变论域模糊控制器输出量21.实际控制变化量22.丘脑放电状态采集信号23.主控制器模糊化接口模块24.主控制器模糊推理模块25.主控制器解模糊模块26.丘脑皮层神本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于FPGA的丘脑皮层放电状态变论域模糊控制系统，其特征是：该控制系统包括有：变论域模糊控制FPGA芯片(1)和丘脑皮层FPGA芯片(2)连接，变论域模糊控制FPGA芯片(1)设有除法器模块(15)、乘法器模块(14)以及信号滤波器，闭环电生理转置(3)与变论域模糊控制FPGA芯片(1)相连接,上位机(10)通过信号采集装置(9)与闭环电生理装置(3)连接；丘脑皮层FPGA芯片(2)上搭建丘脑皮层神经核团模型(26)，丘脑皮层神经核团模型(26)计算的神经元核团输出膜电位信号(28)在神经元膜电位RAM(27)中存储，变论域模糊控制FPGA芯片(1)上包含有依次相连的误差信号获取及模糊化调幅模块(6)、主模糊控制器模块(5)、伸缩因子副模糊控制器模块(4)、NIOS II软核处理器(7)和信号解模糊调幅模块(8)；主模糊控制器模块(5)包含有主模糊控制器模糊化接口模块(23)、主模糊控制器模糊推理模块(24)和主模糊控制器解模糊模块(25)，伸缩因子副模糊控制器模块(4)包含副控制器模糊化接口模块(11)、副控制器模糊推理模块(12)以及副控制器解模糊模块(13)，差信号获取及模糊化调幅模块(6)与闭环电生理装置(3)相连接，输出偏差信号(16)和偏差变化率信号(17)，偏差信号(16)与偏差变化率信号(17)经过伸缩因子副模糊控制器模块(4)输出伸缩因子变化量(18)，得到的伸缩因子变化量(18)经过除法器模块(15)修正论域范围，偏差信号(16)和偏差变化率信号(17)经过主模糊控制器模块(5)输出主控制器变化量(19)，主控制器控制变化量(19)与伸缩因子变化量(18)经过乘法器模块(14)得到变论域模糊控制器输出量(20)，变论域模糊控制器输出量(20)经过信号解模糊调幅模块(8)得到实际控制变化量(21)并输入闭环电生理装置(3)中，进而调节丘脑放电状态；闭环电生理转置(3)接收该实际控制变化量(21)，调节神经元异常放电状态，并将其调节的动态变化通过信号采集装置(9)获取丘脑放电状态采集信号(22)，并传输给上位机(10)进行实时显示与监控；所述控制系统在丘脑皮层FPGA芯片(2)上搭建丘脑皮层神经核团模型(26)，获取正常放电信号，并通过闭环电生理装置(3)的电压钳位获取异常放电信号，所述正常、异常两种放电信号作为输入信号，经过误差信号获取及模糊化调幅模块(6)，获取模糊控制系统标准论域范围内的偏差信号(16)和偏差变化率信号(17)；偏差信号(16)与偏差变化率信号(17)进入主模糊控制器模块(5)，偏差信号(16)与偏差变化率信号(17)依次经过主控制器模糊化接口模块(23)，主控制器模糊推理模块(24)以及解模糊模块(25)的数据处理，得到主控制器控制变化量(19)；同时偏差信号(16)与偏差变化率信号(17)进入伸缩因子副模糊控制器模块(4)，分别经过副控制器模糊化接口模块(11)，副控制器模糊推理模块(12)以及副控制器解模糊模块(13)，得到伸缩因子变化量(18)，伸缩因子变化量(18)通过构建的除法器模块(15)修正偏差信号(16)与偏差变化率信号(17)的论域范围，主控制器控制变化量(19)与伸缩因子变化量(18)经过片上乘法器模块(14)和信号解模糊调幅模块(8)得到实际控制变化量(21)，闭环电生理转置(3)接收该实际控制变化量(21)，调节神经元异常放电状态，并将其调节的动态变化通过信号采集装置(9)获取丘脑放电状态采集信号(22)，并传输给上位机(10)进行实时显示；NIOS II软核处理器(7)控制误差信号获取及模糊化调幅模块(6)和信号解模糊调幅模块(8)的使能，并输出相应指令于信号采集装置(9)中，形成自适应性变论域模糊控制系统，实现对丘脑神经元异常放电状态的动态调节与改善。...
【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的丘脑皮层放电状态变论域模糊控制系统，其特征是：该控制系统包括有：变论域模糊控制FPGA芯片(1)和丘脑皮层FPGA芯片(2)连接，变论域模糊控制FPGA芯片(1)设有除法器模块(15)、乘法器模块(14)以及信号滤波器，闭环电生理转置(3)与变论域模糊控制FPGA芯片(1)相连接,上位机(10)通过信号采集装置(9)与闭环电生理装置(3)连接；丘脑皮层FPGA芯片(2)上搭建丘脑皮层神经核团模型(26)，丘脑皮层神经核团模型(26)计算的神经元核团输出膜电位信号(28)在神经元膜电位RAM(27)中存储，变论域模糊控制FPGA芯片(1)上包含有依次相连的误差信号获取及模糊化调幅模块(6)、主模糊控制器模块(5)、伸缩因子副模糊控制器模块(4)、NIOSII软核处理器(7)和信号解模糊调幅模块(8)；主模糊控制器模块(5)包含有主模糊控制器模糊化接口模块(23)、主模糊控制器模糊推理模块(24)和主模糊控制器解模糊模块(25)，伸缩因子副模糊控制器模块(4)包含副控制器模糊化接口模块(11)、副控制器模糊推理模块(12)以及副控制器解模糊模块(13)，差信号获取及模糊化调幅模块(6)与闭环电生理装置(3)相连接，输出偏差信号(16)和偏差变化率信号(17)，偏差信号(16)与偏差变化率信号(17)经过伸缩因子副模糊控制器模块(4)输出伸缩因子变化量(18)，得到的伸缩因子变化量(18)经过除法器模块(15)修正论域范围，偏差信号(16)和偏差变化率信号(17)经过主模糊控制器模块(5)输出主控制器变化量(19)，主控制器控制变化量(19)与伸缩因子变化量(18)经过乘法器模块(14)得到变论域模糊控制器输出量(20)，变论域模糊控制器输出量(20)经过信号解模糊调幅模块(8)得到实际控制变化量(21)并输入闭环电生理装置(3)中，进而调节丘脑放电状态；闭环电生理转置(3)接收该实际控制变化量(21)，调节神经元异常放电状态，并将其调节的动态变化通过信号采集装置(9)获取丘脑放电状态采集信号(22)，并传输给上位机(10)进行实时显示与监控；所述控制系统在丘脑皮层FPGA芯片(2)上搭建丘脑皮层神经核团模型(26)，获取正常放电信号，并通过闭环电生理装置(3)的电压钳位获取异常放电信号，所述正常、异常两种放电信号作为输入信号，经过误差信号获取及模糊化调幅模块(6)，获取模糊控制系统标准论域范围内的偏差信号(16)和偏差变化率信号(17)；偏差信号(16)与偏差变化率信号(17)进入主模糊控制器模块(5)，偏差信号(16)与偏差变化率信号(17)依次经过主控制器模糊化接口模块(23)，主控制器模糊推理模块(24)以及解模糊模块(25)的数据处理，得到主控制器控制变化量(19)；同时偏差信号(16)与偏差变化率信号(17)进入伸缩因子副模糊控制器模块(4)，分别经过副控制器模糊化接口模块(11)，副控制器模糊推理模块(12)以及副控制器解模糊模块(13)，得到伸缩因子变化量(18)，伸缩因子变化量(18)通过构建的除法器模块(15)修正偏差信号(16)与偏差变化率信号(17)的论域范围，主控制器控制变化量(19)与伸缩因子变化量(18)经过片上乘法器模块(14)和信号解模糊调幅模块(8)得到实际控制变化量(21)，闭环电生理转置(3)接收该实际控制变化量(21)，调节神经元异常放电状态，并将其调节的动态变化通过信号采集装置(9)获取丘脑放电状态采集信号(22)，并传输给上位机(10)进行实时显示；NIOSII软核处理器(7)控制误差信号获取及模糊化调幅模块(6)和信号解模糊调幅模块(8)的使能，并输出相应指令于信号采集装置(9)中，形成自适应性变论域模糊控制系统，实现对丘脑神经元异常放电状态的动态调节与改善。2.根据权利要求1所述基于FPGA的丘脑皮层放电状态变论域模糊控制系统，其特征是：所述丘脑皮层神经核团模型(26)通过欧拉法离散化，由VerilogHDL语言实现编程，通过仿真编译，网络布线最后下载到丘脑皮层FPGA芯片(2)中，丘脑皮层神经核团模型(26)通过设定的参数选取经计算产生的神经元核团输出膜电位信号(28)作为丘脑皮层正常...
【专利技术属性】
技术研发人员：王江，林前进，杨双鸣，刘晨，邓斌，魏熙乐，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12
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