摘要：作为一种新型的理论研究和实践技术，演化硬件（EHW）在机器学习、人工神经网络、自适应控制、信号处理与识别、容错系统和机器人等方面已经受到了广泛的重视本文针对FPGA等商用可编程逻辑器件在演化硬件研究中出现的种种问题，提出一个基于演化母板的新型演化平台，并介绍了它的系统结构及工作原理

1 引言

随着芯片技术和计算机技术的发展，控制系统不断微型化、智能化，其复杂性也不断提高，许多应用场合要求系统能在长时间里稳定可靠的运行但在一些特殊环境下，系统很容易出现故障，而一旦出现故障，则面临维修难度大、费用高的问题尤其是近年来随着空间技术的发展，许多系统是在长期无人照看的环境下工作，不可能进行人工维修，这就对系统的可靠性提出了更高的要求在控制系统拥有高可靠性的同时，更需要控制系统具有容错能力或自修复、自适应性

仿照自然界中以碳为基的生物进化过程，有可能在现有FPGA芯片或更大规模的芯片上实现可控的“硅基进化”，这就是“演化硬件(EHW Evolvable Hardware)”技术这种以仿生方式建立代偿机制的技术为前述问题的解决提供了一个全新思路其基本思想是基于演化算法，对集成电路芯片中可重配置的逻辑单元进行重配和组合，使得系统在执行某项特殊任务时，其体系结构、连接方式以及局部功能会根据环境的变化进行自动演化从而实现动态调整

然而，当前硬件的内演化研究领域严重依赖于FPGA等商用可编程逻辑器件，而它们并不是演化硬件研究的最理想方案，原因有三：其一，许多商家提供的FPGA并不适合用在硬件演化中，因为它们需要用太长时间进行重配置；其二，FPGA内的基本元素的可选择性太少；其三，研究者难以透彻了解 FPGA的内部结构以及配置文件的基本格式，这使得演化过程中对演化系统的分析和测量难度很大

针对上述演化硬件研究中FPGA出现的问题，本文提出了一个基于演化母板通用的演化平台

2 系统结构

该演化平台由通用PC、演化母板和子板三部分构成，其总体结构如图1所示

其中子板可为多个，为了简化示意图，仅用一个表示演化母板的主体部分——32×32的可编程开关阵列由4 2=8片CD22M3494SQ（一片CD22M3494SQ有16 8=128个开关）组成演化母板是该平台的核心，它本身不包含任何基本演化元素，但包含若干组引脚如图2所示

图中引脚X0~X31和Y0~Y31可用于连接由离散元件组成的子板，以进一步构成各种电路这种演化母板和基本元素相分离的结构允许有更多类型的基本元素通过子板而接入到演化母板上，使得生成的电路种类更多，如图3所示

3工作原理

在图1所示的系统中，PC上运行遗传计算程序随机产生一个初始种群（即开关阵列的配置信息，种群中的每个个体都代表可编程开关阵列中一个开关的配置），再通过驱动程序和USB接口将其发送至演化母板微控制器80C196KC单片机依据配置信息依次对演化母板上的模拟开关一一进行配置，生成相应的电路，进而完成由基因型到表现型的映射子板将电路的运行信息发送至母板上的单片机，单片机同样通过USB接口将其送入遗传计算程序遗传计算程序根据反馈回来的运行信息对上一代种群进行适应度评估，保留其中优秀的个体，再通过交叉、变异等遗传操作产生下一代种群重复上述过程，直至得到满意的适应度，终止演化过程上述工作原理如图4所示

演化母板可插接的一个或若干个功能子板在通常情况下，由系统对母板上的开关阵列进行配置，使得每个子板只使用一部分器件就可正常工作，另外一些器件可作备份之用当工作的子板上某些器件故障时，系统重新对母板上的开关阵列进行配置，使得子板上冗余的器件立刻代替故障器件进行工作，从而保证了系统的正常运行，提高了系统的可靠性

4 结束语

本文的创新点是利用USB接口实现遗传计算程序与演化电路的通信，这使得演化系统的使用更加便捷，而且能够在便携式电脑、平板电脑、嵌入式主机等平台上使用本文使用演化母板和基本元素相分离结构构建演化平台，使得该平台具有较强的通用性，同时也便于使用示波器等测量仪器对基本元件进行直接测量，更好地分析和理解整个演化过程此外，还可以利用PSpice等商用仿真软件对整个演化过程进行仿真，这也减小了硬件开发的难度这种灵活的通用演化平台作为演化硬件的研究的一种新方法、新领域，有着很大的发展前景