Учебное пособие 800594

Рис. 2. Газовый отклик пленки SnO2:(3 %)Si

к 2775,5 ppm аммиака

Литература

1.Аммиак. – Электрон. дан. – Режим доступа: https://umc.kirov.ru/materials/ahov/amiak.htm.

2.Флуоресцентные хемосенсорные материалы для детектирования летучих химических соединений в реальном времени. –

Электрон. дан. – Режим доступа: http: // www.photonics.ru / files/editors/Doc/394-442-pages_final.pdf

Воронежский государственный технический университет

130

УДК 621.382

А.Н. Шебанов, А.С. Мамонов, Е.Н. Бормонтов

РЕАЛИЗАЦИЯ ИСКУССТВЕННОГО НЕЙРОНА С СИГМОИДАЛЬНОЙ ФУНКЦИЕЙ АКТИВАЦИИ НА БАЗЕ ПЛИС

Работа посвящена реализации искусственного нейрона с сигмоидальной функцией активации на базе ПЛИС Cyclone IV EP4CE115. В качестве функции активации было предложено использовать кусочнолинейную аппроксимацию сигмоидальной функции, погрешность составила не более 6,8 %.

Нейрон является базовой частью при создании нейронных сетей, так что от выбора его структуры полностью зависят как возможности сети, так и ее обучаемость. В данной работе была реализована модель искусственного нейрона Мак-Каллока и Питтса (рис. 1). Рассмотрим реализацию отдельных элементов нейрона согласно представленной модели.

Рис. 1. Модель искусственного нейрона Мак-Каллока и Питтса

Для представления входных и выходных сигналов использовались шестнадцатиразрядные целочисленные числа без знака. Та-

131

кое представление, с одной стороны, не требует значительного объёма памяти для хранения весов, с другой, обеспечивают достаточную точность для большинства задач. Кроме того, это позволяет использовать встроенные в ПЛИС аппаратные умножители, при этом логические элементы используются только для хранения весов и данных.

Таким образом, модуль синаптических весов представляет собой обычный умножитель 16-разрядного числа на 16-разрядное число (рис. 2), из которого берутся старшие 16 разрядов [1].

Рис. 2. Модуль синаптических весов

После синаптических весов данные поступают на сумматор. В рамках работы был реализован модуль, который получает на входы и суммирует 16 шестнадцатиразрядных чисел (рис. 3). Этот модуль состоит из четырёх отдельных, которые суммируют четыре шестнадцатиразрядных числа и на выход выдают одно восемнадцатиразрядное. Затем четыре восемнадцатиразрядных последовательно суммируются в одно двадцатиразрядное. Старшие разряды полученного числа используются для проверки выхода за допустимый диапазон значений. Если четыре старших разряда равны нулю, на выход выдаётся младшие 16 разрядов, в противном случае на выходе выдаётся максимально возможное шестнадцатиразрядное число (в шестнадцатеричном представлении это hffff).

Следующим элементом нейрона является функция активация, ее выбор определяет методы обучения нейронной сети. Так, например, большинство методов используют дифференцирование, что вызывает сложности в определении весов принципиально недифференцируемых функций активации, таких как пороговая. По-

132

этому в данной работе была выбрана сигмоидальная функция активации, которая имеет достаточно простой вид и дифференцируема на всем диапазоне значений.

Рис. 3. Модуль суммирования

Для реализации сигмоидальной функции в ПЛИС наиболее простым, но в то же время эффективным методом, является кусочнолинейная аппроксимация. Так в работе [2] была предложена аппроксимация с разбиением функции на пять областей (рис. 4):

( )

{

При этом диапазон входных значений был от -10 до 10, а выходных – от 0 до 1. Такие значения были выбраны из-за удобства расчётов – можно заменить деление сдвигом вправо и получить заметную экономию логических элементов. Однако использование математики с плавающей точкой слишком сильно усложняет расчеты, то есть требует дополнительных логических элементов ПЛИС.

133

ɉɨɷɬɨɦɭ ɜ ɞɚɧɧɨɣ ɪɚɛɨɬɟ ɜɯɨɞɧɨɣ ɢ ɜɵɯɨɞɧɨɣ ɞɢɚɩɚɡɨɧɵ ɛɵɥɢ ɩɪɢ

ɜɟɞɟɧɵ ɤ ɰɟɥɨɱɢɫɥɟɧɧɨɦɭ ɜɢɞɭ

Ɋɢɫ ɋɢɝɦɨɢɞɚ ɫɟɪɵɦ ɢ ɟɟ ɤɭɫɨɱɧɨ ɥɢɧɟɣɧɚɹ ɚɩɩɪɨɤɫɢɦɚɰɢɹ

ɱɟɪɧɵɦ

Ⱦɥɹ ɱɢɫɥɟɧɧɨɣ ɨɰɟɧɤɢ ɩɨɝɪɟɲɧɨɫɬɢ ɛɵɥɚ ɪɚɫɫɱɢɬɚɧɚ ɪɚɡɧɢ

ɰɚ ɦɟɠɞɭ ɚɩɩɪɨɤɫɢɦɚɰɢɟɣ ɢ ɢɫɯɨɞɧɨɣ ɫɢɝɦɨɢɞɨɣ Ʉɚɤ ɜɢɞɧɨ ɢɡ ɪɢ

ɫɭɧɤɚ ɧɚɢɛɨɥɶɲɚɹ ɩɨɝɪɟɲɧɨɫɬɶ ɨɬ ɜɫɟɝɨ ɞɢɚɩɚɡɨɧɚ ɡɧɚɱɟɧɢɣ

ɧɚɛɥɸɞɚɟɬɫɹ ɧɚ ɩɟɪɟɯɨɞɟ ɦɟɠɞɭ ɨɛɥɚɫɬɹɦɢ ± ɢ ɚ ɬɚɤɠɟ ɢ ɚ

ɦɢɧɢɦɚɥɶɧɚɹ ± ɧɚ ɩɟɪɟɯɨɞɟ ɦɟɠɞɭ ɢ ȼ ɪɚɛɨɬɟ > @ ɭɤɚɡɵɜɚɥɚɫɶ

ɩɨɝɪɟɲɧɨɫɬɶ ɜ Ɍɚɤɢɦ ɨɛɪɚɡɨɦ ɢɡɦɟɧɟɧɢɟ ɞɢɚɩɚɡɨɧɚ ɡɧɚɱɟ

ɧɢɣ ɫ ɮɨɪɦɚɬɚ ɫ ɩɥɚɜɚɸɳɟɣ ɬɨɱɤɨɣ ɧɚ ɰɟɥɨɱɢɫɥɟɧɧɨɣ ɧɟ ɩɪɢɜɟɥɨ ɤ

ɡɚɦɟɬɧɨɦɭ ɢɡɦɟɧɟɧɢɸ ɦɚɤɫɢɦɚɥɶɧɨɣ ɩɨɝɪɟɲɧɨɫɬɢ Ⱦɥɹ ɩɪɨɜɟɪɤɢ ɪɚɛɨɬɨɫɩɨɫɨɛɧɨɫɬɢ ɩɨɥɭɱɟɧɧɨɣ ɪɟɚɥɢɡɚɰɢɢ

ɢɫɤɭɫɫɬɜɟɧɧɨɝɨ ɧɟɣɪɨɧɚ ɧɚ ɜɯɨɞ ɩɨɫɥɟɞɨɜɚɬɟɥɶɧɨ ɩɨɞɚɜɚɥɫɹ ɜɟɫɶ ɞɢɚɩɚɡɨɧ ɡɧɚɱɟɧɢɣ Ⱦɥɹ ɨɬɨɛɪɚɠɟɧɢɹ ɜɯɨɞɧɵɯ ɢ ɜɵɯɨɞɧɵɯ ɡɧɚɱɟɧɢɣ ɢɫɩɨɥɶɡɨɜɚɥɚɫɶɩɪɨɝɪɚɦɦɚ$OWHUD 0RGHO6LPɹɜɥɹɸɳɟɣɫɹ ɫɬɚɧɞɚɪɬ ɧɵɦ ɞɨɩɨɥɧɟɧɢɟɦ ɤ ɩɚɤɟɬɭ 4XDUWXV Ʉɚɤ ɦɨɠɧɨ ɜɢɞɟɬɶ ɢɡ ɪɢɫ ɜɯɨɞɧɨɟ ɡɧɚɱɟɧɢɟ ɩɥɚɜɧɨ ɦɟɧɹɟɬɫɹ ɨɬ ɞɨ ɩɪɢ ɷɬɨɦ ɧɚ ɜɵɯɨ

де получается кусочно-линейная аппроксимация сигмоиды. Таким образом, можно считать, что модуль работает правильно.

После завершения разработки всех необходимых модулей, был собран искусственный нейрон по описанной схеме – 16 шестнадцатиразрядных входов, каждый из которых подключен к своему модулю синаптических весов, результат вычислений отправляется на суммирующий модуль, после чего результат отправляется на модуль функции активации.

Рис. 5. Моделирование работы модуля функции активации

Отчет о компиляции кода модуля нейрона в пакете Quartus показывает, что разработанный модуль использует 484 логических элементов и 16 умножителей. Таким образом, с учетом того, что в ПЛИС доступно 114 000 логических элементов, с разработанным нейроном можно создать нейронную сеть размером до 200 нейронов.

Литература

1.Логовский А. Технология ПЛИС и её применение для создания нейро-чипов / А. Логовский М.: СУБД, 2000. 43с.

2.FPGA implementation of multilayer feed forward neural network architecture using VHDL. URL: https://ieeexplore.ieee.org/ document/6179225 (дата обращения 2.06.2019).

Воронежский государственный университет

135

УДК 681.586.72

В.А. Воробьев, А.К. Воробьева

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ СЕНСОРИКИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОКСИДОВ АЗОТА

Работа посвящена оценке современного состояния сенсорики для определения оксидов азота NOx. К наиболее распространенным датчикам для определения оксидов азота относят электрохимические, оптические, полимерные и резистивные датчики на основе металлооксидных полупроводников.

Оксиды азота (NOx) - сильные загрязнители окружающей среды, а их содержание в выдыхаемом воздухе является ключевыми биомаркерами заболеваний, таких как астма.

Оксид азота (NO) - бесцветный газ, который в жидком виде имеет голубоватый оттенок. Химически оксид азота довольно сильно вступает в реакции с различными видами солей, но не реагирует на щелочные и кислотные растворы, в то же время он плохо растворим в воде, а на открытом воздухе быстро окисляется до диоксида азота (NO2), приобретая коричневатый оттенок. [1].

Диоксид азота (NO2) в нормальных условиях (20 ºC, 760 мм рт. ст.) представляет собой газ желтовато-коричневого цвета, который обесцвечивается при высоких температурах. При воздействии на диоксид азота отрицательных температур, переходит из газообразного состояния в твердое и приобретает белый цвет. NO2 обладает сильными окислительными свойствами и прекрасно растворяется в воде [2].

Оксид азота (NO), обладая относительно большим временем жизни, проявляет высокую реакционную способность при взаимодействии со многими органическими соединениями. Оксид азота участвует в образовании вторичных загрязнителей в атмосферном

136

воздухе и является важнейшим реагентом в процессах метаболизма на клеточном уровне. Большая часть оксида азота в приземном слое атмосферы возникает из-за выхлопов двигателей внутреннего сгорания. [3]. Предельно допустимые концентрации оксида азота (II) NO в воздухе населенных мест, мг/м3: максимальные разовые - 0,6; среднесуточная - 0,06. Предельно допустимая концентрация содержания оксида азота (NО) в воздухе рабочей зоны - 5 мг/м3.

NO2 широко применяется в ракетостроении в качестве жидкого топлива. Помимо этого, диоксид азота активно используется в медицине, а также в химической промышленности. Даже при небольших концентрациях в помещении (0,23 мг/м3) человек ощущает резкий запах диоксида азота. Максимальная разовая предельно допустимая концентрация диоксида азота составляет 0,085 мг/м3, среднесуточная - 0,04 мг/м3.

Оксид азота используют при лечении различных заболеваний. Он оказывает благотворное влияние на циркуляцию крови по организму, повышает уровень кислорода, снижает давление и помогает в работе сердца; борется с болезнетворными бактериями и вирусами, а также помогает справляться с интенсивными нагрузками, улучшает память.

Наряду с этим, при нарушении допустимой концентрации, оксид азота может оказывать негативное влияние на центральную нервную систему и вызывать поражение крови за счёт связывания гемоглобина, а также всевозможные аллергические реакции на коже. Оксид азота оказывает сильное влияние на органы дыхательной системы. Диоксид азота тоже негативно влияет на органы дыхания. Попадая в организм человека путем вдыхания, диоксид азота способен вызывать серьёзное отравление. В связи с тем, что газ NO2 очень токсичен, данное вещество может оказывать наркотическое действие. Вдыхая даже небольшое количество данного газа, человек ощущает снижение болевого порока. Спустя несколько минут человек испытывает мучительный кашель, который может привести к удушью [1].

Газоанализаторы NOx используют там, где необходим постоянный контроль над содержанием NOx в воздушных массах. Для

137

предотвращения возможностей острых отравлений этими химическими соединениями применяют как стационарные, так и переносные сигнализаторы NOx. Стационарные варианты приборов устанавливают на стены в помещениях, где необходим непрерывный контроль содержания NOx в атмосфере. Переносные газоанализаторы NOx используют для проведения оперативных измерений.

Перечень приборов, контролирующих содержание оксида азота (NОх), достаточно широк.

В основе принципа измерения концентрации целевого газа с помощью электрохимического датчика NОх лежит реакция окисления или восстановления, которая приводит к протеканию положительного или отрицательного тока через внешнюю цепь. Типичный электрохимический датчик состоит из сигнального электрода, интегрирующего электрода и в большинстве случаев контрольного электрода. Эти компоненты устанавливаются внутри корпуса датчика с жидким электролитом. В качестве электролита обычно применяется серная кислота. Газ из среды, в которой расположен датчик, проходит через гидрофобную мембрану и ограничивающее диффузию отверстие и в конечном итоге достигает поверхности сигнального электрода. На поверхности сигнального электрода происходит реакция окисления или восстановления, которая приводит к протеканию тока между сигнальным и интегрирующим электродами. Величина этого тока пропорциональна концентрации газа [4].

Электрохимические датчики NOх отличает хорошие показатели селективности, невысокая стоимость и различные варианты номенклатуры. Наиболее популярны на рынке датчиков диоксида азота датчики от компании Membrapor. Это связано с большим выбором диапазонов измерения, технических характеристик и размеров датчика. Не уступают по качеству датчики NO2 от компании AlphaSense, которые показывают себя с лучшей стороны в плане чувствительности на разных диапазонах измерения. Качественные сенсоры NO2 также выпускают компании Sixth Sense и Nemoto.

Несмотря на то, что при разработке электрохимические датчики максимально настраиваются на целевой газ, большинство из

138

них также будет определенным образом реагировать на газы, отличные от целевого.

Полимерные датчики диоксида азота являются новинкой в газоанализе и на данный момент их отличает низкая цена и длинный срок службы. Данные сенсоры диоксида азота пока не смогли зарекомендовать себя отличными техническими характеристиками [5].

Датчик газа представляет собой электропроводящую полимерную пленку поли-М,Н-диметил-3,4-диметиленпирролидиний цианида (ПДМПЦ) субмикронной толщины на поверхности диэлектрической подложки с закрепленными контактами, проявляющую чувствительность к содержанию оксидов азота в воздухе в диапазоне от 11,9 до 70,0 мг/м3 и обладающую в течение 6 месяцев стабильными метрологическими характеристиками: внутрилабораторная прецизионность - 0,47 мг/м3, показатель правильности - 0,14 мг/м3, показатель точности - 1,24 мг/м3, предел обнаружения - 4,7 мг/м3 [6].

Принцип действия оптического газоанализатора основан на свойствах селективного поглощения различными газами потока излучения. Как правило, измерение селективного поглощения выполняется в инфракрасной части (ИК) спектра, где наиболее сильно проявляется селективность поглощении отдельными газами определенной части ИК-излучения пропорционально его объёмному содержанию. В газоанализаторе имеется источник ИК-излучения, поток которого поступает в камеры двух оптических каналов. Оба канала одинаковы по конструкции, но сравнительная камера заполнена чистым воздухом, а через рабочую камеру непрерывно пропускается контролируемый газ. При продувке через рабочую камеру, поток излучения теряет часть энергии, которая соответствует линиям поглощения контролируемого компонента и часть энергии, которая соответствует линиям поглощения неизмеряемых компонентов. Через сравнительную камеру с чистым воздухом поток излучения проходит без потерь энергии. Далее оба потока поступают в фильтровальные камеры, заполненные неизмеряемыми компонентами газовой смеси. Здесь энергия, соответствующая их спектру, поглощается полностью. Затем два потока излучения одновременно поступают в

139