电路线路检查表

电路线路检查表（通用5篇）

篇1：电路线路检查表

电路常见隐患《大开关小线路》

刘叙义

（国脉通信规划设计有限公司）

司空见惯的错误，蕴藏长久的隐患。不经心意的疏忽，酿造火灾的渊源。

电源电路的过载、短路、雷击、漏电事故，在电路系统空开、接地、避雷、漏电保护器综合的安全措施保护之下，为什么还会频频发生？还发生许多电路失火与触电伤人的意外，需要我们去细心发现、研究、进一步完善保护措施，本文讨论电路常见隐患《大开关小线路》。

电源电路是输送分配电能的电路系统，保证电能安全地由电源输送分配到用电负载，要注意两个问题，一是要电路安全运行，二是要设计经济合理。

实际的生产供电、用电电路中，大开关小线路的现象司空见惯，信手接到大开关上的小线路，随意将更换的空开放大了规格，电路火灾的隐患也一起接到了我们的身边，有多少原因待查的火警火灾就是这样酿成的。

100A、200A甚至400A的普通空开，上面接着10mm2、6mm2、4mm2甚至2.5mm2的线路，在我们的配电盘上并不罕见，线路较长的情况下，不用说过载就是短路空气开关也不会自动断开。

采用可调保护或电子保护空开的配电盘，许多空开的整定都在出厂时的最大位置，没有与所接线路配合进行脱扣设定，严重浪费了设备的功能资源并遗留下了电路的隐患。

严格遵守线路、空开、负载的额定电流关系式，是确保电源电路安全运行的基本要求，但是却没有引起专业人员的广泛注意，甚至没有引起专业安全主管部门的注意。例如某行业全国发文、宣传巡讲进行电源安全整治三个月，具体到方式方法三线分离的标准电缆品种的要求，但却完全没有提及大开关小线路这个基本的电源电路事故隐患。失火在先防火在后，如何预防电路不失火，空气开关的选定脱扣电流的整定是最大的关键，首先要求做到《电线额定电流≥空开额定（整定）电流≥负载额定电流》。

电缆 空开（保险）电缆负载电源图一：最简单的电源电路示意图

如图一：电源电路的构成，主要由电源、电线、空开、负载四个部分组成。电源电路是一个系统，电路设计要统筹兼顾，恪守电路各部分的电流相互关系式。

1、电路电流关系式

1）电源电路安全运行各部分额定电流关系式

电线额定电流≥空开额定（整定）电流≥负载额定电流 2）电源电路安全运行经济设计各部分额定电流关系式 电线额定电流≥（1～1.25）倍空开长延时整定电流 空开长延时整定电流≥（1～1.1）倍负载额定电流

（摘自《现代电子电工手册》福建科学技术出版社）

3）为了留有较大的余地，人们在实际工作中往往习惯采用关系式的上限值 电线额定电流≥1.25倍空开长延时整定电流 空开长延时整定电流≥1.1倍负载额定电流

4）负载过载需要保护时的电源电路安全运行各部分额定电流关系式 前面讨论的是一般意义上的电路安全运行关系式，不是兼具保护负载过载安全运行时的关系式。如果负载例如电动机需要空开保护过载，则空开选择不能过大，空开额定电流应该等于或略小于电动机额定电流，此时电路安全运行各部分额定电流关系式：

电线额定电流≥（1～1.25）倍空开长延时整定电流

（1～0.9）倍负载额定电流≥空开长延时整定电流≥负载实际运行电流

2、电源

电源可分为发电机、变压器、UPS、开关电源、蓄电池等种类。

电源的容量单位有千伏安（KVA）、千瓦（KW）、安培（A），电源可以满载工作（UPS并机运行时例外），一般还具有短时过载功能，但平常情况下的经济运行负载率为额定值的70%左右。

3、电线

电线是连接电路的电流通道，根据用途已经选定的电线主要参数有耐压值、载流量、额定温度，电线的运行电压超过耐压值电缆会击穿绝缘损坏电线，电线的运行电流超过载流量电缆会过热超过电线额定温度损坏甚至烧毁电线。

4、空气开关

空气开关是电路的安全阀门，它监控电路电流在空开长延时整定值以内的安全运行。

空气开关的类别、型号、各种规格参数较多，首先根据用途做好基本类别、型号的选择，这里只讨论最基本电源电路的空开规格选择与设定和额定运行短路分断能力的选择与设定。

保险丝是空气开关前身用来保护电源电路运行安全的元件，电路的常见故障有过载和短路两种，保险丝既要保护电路过载又要保护电路的短路，保险丝还要适应负载的启动电流，一般电动机保险丝要选取负载额定电流值的1.5～3倍，所以电动机过载电流的故障常常是保险丝保护不了的。

空气开关的过载和短路分别由两套机构来负责，短路机构兼顾满足负荷的启动电流，所以空气开关的额定电流和启动电流倍数是分别选定，因为过载保护功能具有脱扣延时特性，选额定电流时不用再考虑负载的启动电流，启动电流倍数根据负载启动性质确定分为B、C、D三类，或者选择电子脱扣器型空开,脱扣保护根据相应的要求进行设定，这一点与保险丝的选定不一样，要充分注意二者的选定区别。

空气开关监控电路电流在空开长延时整定值以内安全运行，如图一电路，空气开关既要负责负载的运行安全，又要负责电线的运行安全，还要负责保护电源的运行安全，空开的选择要统筹兼顾避免顾此失彼。

5、负载

电源电路的负载根据负载电流性质分为电阻式、混合式、电感式，一般对应空开的B、C、D型，负载又分为定阻抗型和定功率型，电流与电压的变化规律 3 是不一样的。负载是否需要空开的过载保护？如果是电动机负载一般需要空开的过载保护，空开的选择就需要既能保护线路又能保护负载的安全。

6、实际电路设计

电缆 电缆VVZ-3*6+4mmVVZ-3*6+4mm 空开 电动机电源D32A/3P15KW/4极图二：15KW水泵电动机电源系统示意图

如图二，15KW/4极水泵电动机选定空开和电缆

1）求电动机额定电流I=?，已知功率因数=0.86，效率=0.82 I=15*1000/(1.732*380*0.86*0.82)=32.3(A)水泵电动机启动电流倍数较大（6～8倍），需要选择D型空气开关，此时空开既要保护电路又要保护负载，选小了不行选大了不可，所以选定微型空气开关D32/3P满足安全保护运行的要求，满足关系式：

（1～0.9）倍负载额定电流≥空开长延时整定电流≥负载实际运行电流 2)查表选定VVZ-3*6+4mm2电缆，额定电流35A满足电路需求： 电线额定电流≥（1～1.25）倍空开长延时整定电流

（或选定VVZ-3*10+6mm2电缆，额定电流49A，电线留有较大的安全余量。）电路藏隐患，事故非偶然。分析要全面，防治晓因源。

通信电源隐患系列文章：

☆ 电路常见隐患《大开关小线路》

☆ 电路常见隐患《长电缆的单相短路》 ☆ 电路偶见隐患《变压器的相线短路》 ☆ 电路偶见隐患《地线的漏电与防护》 ☆ 通信电源隐患《分离地线的雷电反击》

☆ 通信电源隐患《严防并机运行的UPS使用两路电源》 ☆ 电池维护隐患《蓄电池的定额运行与容量检测》

篇2：电路线路检查表

经济的快速发展, 产业结构的不断优化, 使我国的电力产业也要随之不断更新优化, 来供应工农业的使用。目前, 我国已经建立了一个完善的智能表, 三相三线智能表作为电力的主要载体对于整个国家、整个社会的每一个生产部门都具有十分重要的地位, 因此人们在日常生活中越来越离不开电能, 就使得三相三线智能表的安全和稳定运行十分重要。

2 三相三线的内涵

在当今社会的快速发展中, 我们所接触日常生活的负载, 例如:电灯、电视机、电冰箱、电风扇等家用电器及单相电动机, 它们工作时都是用两根导线接到电路中, 这些都属于单相负载。如果这三相电路中的每一根线路所接的负载的阻抗和性质都相同, 就可以认为这三根电路中负载是对称的。在其中的负载对称的条件下, 因为各相电流间的位相彼此相差120°, 所以, 在每一时间通过中线的电流之和都应为零, 如把中线去掉, 用三相三线制供电是可以的。

三相三线智能表的错误接线的种类有以下几点:三相电路的对称;电流回路接线的正确;电压为正相序, 电压回路无断线故障, 电压互感器原边绕组接线正确。

3 三相三线智能表错误接线的分析

科学技术的发展, 使越来越多的电力系统建立起来, 三相三线智能表在电力系统中的起到重要的作用, 但是三相三线智能表装置自身存在着很多的问题, 这些问题直接影响着三相三线智能表的电力系统的安全和正常运行。如何避免三相三线智能表所出现的错误接线, 使其在运行的过程中能更好的工作, 是现在广大工作者面对的问题。对此分析如下:

3.1 三相三线智能表的相序显示功能

对于很多的三相三线智能表都具有这种相序测量功能, 其中主要是以电压相序为主。如果电压相序接反的话, 就会造成电能表屏幕上会显示逆相序, 同时还会使电压标识符不断的闪烁。严重的影响三相三线智能表的正常运行。

3.2 三相三线智能表的有功功率示值显示

一般的有功功率显示都是通过按键调出来的, 如了解智能表的功率显示值就可以直接通过屏幕显示的汉字和一些显示的代码进行专业上的判断。要想知道客户所负荷的大小, 就需要直接将显示值乘以这个智能表所显示的计量装置上的互感器倍率。同时, 智能表上一般都会显示总功率、每个计量元件功率及相关的功率方向。

3.3 三相三线智能表的功率因素显示的功能

在智能表的表面上按键。就可以调出相关功率因素值, 而我们就根据这些显示值及客户的实际用电数据, 来测试三相三线智能表的计量装置是否出现故障。如果这些计量装置出现错误接线的情况时, 三相三线智能表就会显示的功率因素值和实际情况的值有着很大的差异。

4 三相三线智能表错误接线的处理措施

在检查电能表接线时, 我们必须要用万用表测量三个电压端子的相互是否相等, 一种情况是, 如果不相等, 那么就有可能是电压线断线或者是电压互感器有着不同程度的损坏;另一种情况是, 如果不相等, 就是说可以进行仔细观察电能表的转向, 是否与箭头放线一致, 都为正, 还要测量电能表的转盘转速, 可以用秒表进行测量盘的转速, 然后记录下来。可以先测试一下, 将电能表的一个子线断开, 一个相线也断开, 在进行观察电能表的转向, 用秒表测量转盘水文转速, 反复测试, 就可以判断其接线是哪种接线, 然后进行相关的处理, 但在处理错误接线是, 一定要注意将电流回路严密封死, 避免电流互感器开路产生而进行高压伤人, 出现严重事故。

对于三相三线智能表来说, 电能表的三个电压端子对外接线有六种排列方法, 四个电流端子也有八种不同的排列, 这样就会出现四十八种接线方式, 但其中只有两种接线的计量方法是正确的, 而其他的都是错误接法。其中错误接线的处理方法分为以下几点:

(1) 可以将三相三线智能表的一端子与相隔的一个端子线进行互换;

(2) 可以将三相三线智能表的另一端子和相隔一端子线进行互换;

(3) 将三相三线智能表的一端子与相隔一端子线互换, 再将另一端子与相隔一端子线进行互换;

(4) 将三相三线智能表的一端子与另一端子互换;

(5) 将三相三线智能表的一端子调到另一端子, 原有的另一端子调到与一端子相隔端子线上, 而原有与一端子相隔端子线在调到一端子上, 进行测试。

5 结论

综上所述, 提高电力的三相三线智能表运行工作的可靠性和安全性, 从而保障电网的安全和稳定运行, 能够满足人们日益增长的社会经济发展的需求。由于三相三线智能表作为我国能源结构中尤为重要的一环, 三相三线智能表的运行检修方法运行能否安全、持续的供应, 对我国能源安全起着至关重要的作用。所以, 三相三线智能表的运行只有加强相关管理手段, 才能促进电力系统的发展, 维护能源安全。

摘要：我国经济发展不断加快, 产业结构不断优化, 行业间对三相三线智能表的需要增大。面对人们日益增大的电力需求, 所以对三相三线智能表要求的更严谨。本文对三相三线智能表可能会在接线中出现的故障检查方法进行研究。

关键词：三相三线,智能表,错误接线,检查的方法

参考文献

[1]吴红阳.三相三线电能表的现场检查[J].中国科技博览, 2012, 33:237-238.

[2]赵凤阁.三相三线有功电能表接线方式的探讨[J].科技与企业, 2013, 22:324-324.

篇3：电路线路检查表

【关键词】500kV；输变电路；施工探讨

1.500kV输变电工程线路施工概述

电力系统建设中，其施工质量关系到电力传输的稳定和安全。能有分配电能、输送电能等作用，对保证整个电力系统正常运行具有非常重要的现实意义。但作为高压输电线路，会有高难度的施工、复杂的施工现场，因此，要保证其施工质量，先进而又简便的施工技术是关键。应注意提升施工技术水平，严格控制其施工质量，以达到预期的施工效果。此外，线路施工中，还必须考虑对雷击、温度、电磁等多方面因素进行故障预防处理，以维护电力工程的安全性、降低施工意外事故的发生率，这对5施工技术提出了更为严格的要求。

2.500kV输变电工程线路施工技术要点

2.1基础施工

基础施工应注意以下几点：

（1）做好现场实地考察工作，并注意根据实际环境特点，坚持因地制宜的理念开展基础建设，例如：在风化侵蚀严重的地区，其岩石具有较强的抗剪能力，因此，应充分利用岩石嵌固基础，以保障基础工程能够承受较大的抗拔力。

（2）施工之前要对岩石进行采样并做好实验分析工作，并明确岩石种类，采取对应的施工工艺。针对土质比较好的区域，如：对于地下水位位于混凝土基础之下的情况，通常选择掏挖式基础施工工艺。而实际开展掏挖式基础过程中，必须要做好样坑掏挖的工作，并对样坑进行必要的科学测试，符合相关规范后才能开展后续掏挖工作。基于主柱的实际情况，推荐人工掏挖，可以最大限度地保障孔径的大小能够科学合理，并注意做好必要的防雨、防坍塌措施。

基础施工过程中，应结合实际工程特点，选择合适的基础施工方法，例如：在遇到吃力较深并且作用力较大的区域，可以选择灌注桩式基础。采取这种施工工艺时，需要对桩与土之间的摩擦力以及桩端的承载能力进行必要的分析与研究；在涉及到水下混凝土灌注时，首先要加强实验，明确混凝土配合比例，且注意在灌注过程中不能中途停止，必须一次性完成灌注环节，如遇到特殊情况需要中断，必须有对应的措施，避免导管出现堵塞的情况出现。在遇到淤泥土质或地下水位较高的情况时，可采用旋锚桩施工，其具有施工不受气候限制、施工速度快、无需基坑开挖作业等优势，对处理软土地基具有良好的效果。旋锚桩通常由一个引导段和若干延长段组成，所有部件为16Mn低合钢金，钢管为16Mn低合金无缝隙钢管。引导段由四个钢旋片按不同的间距焊在一根ф89mm×8mm的钢管上组成，延长段直径为ф219mm×6mm，其管段上端焊有一个锚片；延长段与引导段连接构成联轴。延长段顶部露出地面部分被灌注在混凝土桩帽中，连接塔腿的插铁也灌注在桩帽中。以粘土为例，计算单桩承载力：

Qu=PsHiCa+nACNc

式中：Ps指锚管周边长，锚头部分为锚片平均直径周长边，m；Hi指桩在各层土中的长度，m；Ca指土的凝聚力产生的桩壁粘结力，kN/m2（Ca=Cα，其中C为土的凝聚力，α为界面折减系数，α随C的大小及界面的材料的光滑度而变化）；n指锚片的个数；A指锚片的面积，m2；C指土的凝聚力，kN/m2；Nc指凝聚力产生的土的支撑系数，理论值为q。

2.2杆塔组立

在500kV输变电线路施工中，杆塔组立和关键环节，其施工质量对电力输送的安全性具有较大影响。按照高压输电线路杆塔受力的特征可以将其划分为直线型与耐张型。对杆塔的型式、结构进行科学合理的选择，是杆塔设计非常重要的一个环节。针对500kV电压等级的线路，一般采用自立式铁塔，而低压等级的线路应该优先采用钢筋混凝土杆与预应力混凝土杆。高压输电线路施工中杆塔构建是非常重要的施工技术。杆塔作为导线与避雷线的主要支持物，其荷载能力一定要达到相关技术标准。如果有变形的情况，需要控制在输变电施工技术所允许的范围内，即杆塔必须满足标准的强度与刚度。圆形截面构件具有对各方面承载能力的优势，并且符合施工科学原理，便于采用离心机制，一定程度上能节约原材料，在当前输变电线路中得到推广与使用。

2.3架线施工

一般来说，架线施工的施工流程如下：拉力放线施工→紧线施工→导线、地线连接施工→附件安装这样一个基本程序。500kV高压输变电线路施工，在工程架线时选择如张力架线，其原理是对牵张机控制导地线的张力进行充分利用。500kV大容量输电线路张力架线施工牵张设备应该具备最小出力估算值。输电线路张力架线施工，其牵张设备应具备的出力主要取决于张力架线施工牵张力的大小，并考虑以下安全因素：对于张力机，其额定出力不小于张力机出口张力再加15%裕度后的數值；对于牵引机，其额定出力不小于计算牵引力再加25%的动力储备后的数值。将线拉紧的过程中悬垂绝缘子往往会偏离中垂的位置，产生这类现象的主要因素是在对弧垂观测计算的过程中忽视了滑车的摩擦力。为了进一步避免这类情况发生，就必须在计算的过程中将摩擦的因素考虑进去，并适当调整导线弧度。线路架设技术实施过程中，导线或架空地线的连接质量将直接影响到平常输送点的安全以及运行的可靠性、稳定性。导线或架空地线连接的技术主要有这几种：液压连接、机械钳压连接、爆破压接等。

以液压接为例，施工中需要注意以下几点：

（1）在铝管和钢管上量取需要压接长度后正确画印。

（2）铝管和钢管前后的压接顺序。

（3）液压操作时液压机压接时间。

（4）各种液压管压后对边距尺寸是否满足S的最大允许值为：S=0.866×（0.993D）+0.2mm（式中：D-压接管实际外径（mm），但三个对边距只允许有一个达到最大值，超过此规定时应更换钢模重压）。

（5）液压后管子不应有肉眼即可看出的扭曲及弯曲现象，压接后弯曲度不超过2%。有弯曲时应校直，校直后不应有裂缝。压后如有裂缝，应断开重压。

（6）各液压管施压后，应认真填写记录。液压操作人员自检后，在管子指定部位打上自己的钢印。质检人员检查合格后，在记录表上签名。

3.500kV输变电工程线路施工问题处理

3.1地质问题

500kV输变电工程线路施工中，常遇到以下地质问题：

（1）地下水。地下水是深基础施工中最为常见的障碍，它使人工挖孔桩的施工难度大大地增加。例如：在遇到细砂、粉砂土地质时，再加上在水的作用，经常会出现流砂、井漏等问题，对输电线路施工造成很大的困扰。对此，在地下水量较少的情况下，可采用潜水泵进行抽水，同时开挖成孔，之后进行浇筑施工，形成混凝土护壁后，在进行下一工序。

（2）细沙层。偶尔桩孔在挖到接近预计的深度时会碰到细沙层，细沙层因为渗水而变成糊状，导致即使比较薄的一层沙都可以导致孔壁的土体坍塌。对此，先要清理干净塌落的细沙，并将此处桩身的直径适当进行扩大，随之在孔壁的周围钉入钢筋，最后砌上砖块以增强土体的稳固性，此外，还要适当缩小这段桩孔开挖的深度，使其每天开挖得深度被控制在0.5m以内，并且施工人员要用50cm小模板及时地浇筑护壁来提高其稳定性，从而保证护壁的质量。

3.2线路故障

在500kV输变电工程线路施工中，经常会遇到各种线路故障，以雷击故障为例。因雷击引起的架线施工故障形式是多样的，主要包括爆裂、断线、配变毁坏等，对此，可通过设置避雷线的方式，减少雷击故障，实践证明，其防雷效果理想。避雷线运用在高压输电设置中，其最大的作用在于避免雷电直接袭击导线，还能对强大的雷电流进行分解，能很好地降低流经杆塔的雷电流，通过降低各地线路绝缘子的电压进行防雷，且避雷线在安装使用时较为方便，是架空心线路施工比较普遍的防雷技术。避雷线的设置，如图1所示。

4.结束语

综上所述，500kv输变电路作为我国电力系统建设的重要组成部分，对其的施工我们要有高度的重视。因此，我们要严格按照施工方案進行施工，还要注意分析施工中遇到的问题，并及时采取措施做好相应施工，以保障500kv输变电路的施工质量，从而推进我国电力事业的进步。 [科]

【参考文献】

[1]聂郢.500kV架空输电线路张力架线施工技术探析[J].机电信息，2013（06）.

篇4：基于查表结构的指纹增强电路设计

关键词：指纹增强,方向图,查表结构,RTL

指纹识别技术是当今最流行、最方便、最可靠的个人身份认证技术之一。指纹增强是指纹预处理过程中的核心算法,其目的有:消除图像中的噪声,增加指纹图像中的脊线与谷线的对比度,对指纹断点进行修复,对可修复模糊区域进行恢复,提高后续指纹特征点的提取以及指纹比对的正确率。因此,一个高效的指纹增强算法对指纹识别系统起着至关重要的作用。

目前,常用的指纹增强算法有:Lin Hong等人提出利用块方向的Gabor滤波器[1]增强指纹图像,该算法不仅要计算指纹图像的方向图,还要计算脊线的频率方向,故算法复杂、费时,且准确地计算脊线方向也是一个难点;O’Gorman提出方向滤波器[2],通过计算出指纹图像的方向图,依据方向值选择相应的滤波模板对像素点增强,其算法相对简单,处理速度快,增强效果显著。本文在后者的基础上加以改进,构造一种查表结构的硬件电路,节约了硬件资源,且比传统的处理算法[3,4,5]至少快10倍。

1 电路结构与设计

1.1 点方向计算电路设计

基于方向图滤波的指纹增强要先算出指纹图像的方向图,最常用的有基于Sobel梯度算子[6]的算法和基于点方向模板的算法。其中,梯度算法含加、减、乘、除、反正切运算,算法相对复杂,同时电路在实现除法、反正切运算时比较费时且消耗大量硬件资源。

图1所示为求像素点的方向模板。将中心像素点(以*表示)周边划分为8个方向,其中:0～7分别代表0°、22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°、135°、157.5°方向,则具体的点方向计算步骤为:

(1)求出方向模板中的每个方向上的4个像素点灰度值的平均值。

(2)将8个方向按照两两垂直的方向分成4组(0&4、1&5、2&6、3&7),并计算每组均值DMi,即:

取DMi中值最大一组中的两个方向j或j+4,j为当前点方向,j∈i。

(3)按照式(3)求出当前像素点*的脊线方向:

其中,M*代表像素点*的灰度值,D*代表该点的方向符号。

(4)按照步骤(1)～(3)将方向模板从左到右、从上到下遍布整个指纹图像。

(5)将边界行列像素点方向全部置为方向0。

考虑到指纹图像纹理结构的特点:脊线(或谷线)点沿着脊线(或谷线)方向灰度值相近,而沿着非脊线(或非谷线)方向上灰度值相差较大,因而像素点在脊线(或谷线)方向的方差最小。因此,本文采用基于方向模板的最小方差法来计算点方向。其硬件电路框图如图2所示,其中各部件的功能如表1所述。

1.2 块方向计算、滤波与增强电路设计

将求得的指纹点方向图按8×8分割,计算块方向规则为:统计8×8块中各方向的直方图,块方向为直方图的峰值方向;计算完成后进行块方向滤波,滤波方案为基于3×3滤波模板的直方图统计,更新块方向为直方图的峰值方向。

方向滤波器[7]的构造原则为:

(1)滤波器模板尺寸要合适,模板过小则难以达到去噪、清晰纹理效果,过大则可能会破坏曲率较大的纹线结构。本文采用7×7大小的模板;

(2)模板边长为奇数,模板相对中心点对称;

(3)为提高脊线与谷线之间灰度反差、达到边缘锐化效果,在垂直于纹线方向,中央部分系数为正,两边系数为负数;

(4)滤波结果与原图的平均灰度无关,模板系数代数和为0。

按照上述原则设计的水平模板如图3所示,其他方向模板系数求解的具体实现方法可以参考文献[7]。方向滤波增强算法的实现过程为:首先计算像素点(或像素块)的方向,然后再进行像素块与模板系数卷积运算,以完成点像素的增强。由参考文献[7]可知,其他方向模板系数的求解公式有正弦、余弦参数,其算法复杂,且在线计算一次模板系数就要计算294个系数,不仅费时,而且占用大量资源。因此,本文提出一种基于查表结构的算法,将8个方向的模板系数全部在线下计算得出并存储在电路内部,以供方向查表调用;并将增强后的像素点直接二值化处理,以简化指纹预处理步骤,减少计算时间,节约硬件资源。

图4所示为硬件电路框图。其中,RAM4为块方向存储器,块方向统计完成8×8直方图统计,选择器确定写块方向模式,写地址计算块方向写地址,读地址计算块方向读地址,多路器选择增强、滤波模式,滤波运算实现3×3直方图统计,ROM1为模板系数查找表,MULT4与ADD7实现增强卷积运算,判断器将增强后的像素值二值化,FIFO10为数据输出缓冲。

2 RTL级建模与联合仿真验证

2.1 电路的RTL级模型

电路的设计基于硬件描述语言Verilog[8]编写完成。采用自下而上的设计方法,先规划整个电路结构,将整个电路划分为点方向计算模块、块方向计算与滤波模块、指纹图增强模块三个部分;然后设计每一个基本模块,往上设计总体模块,顶层采用原理图方式。整体芯片仿真部分信号时序如图5所示。

2.2 联合仿真验证

编写Verilog仿真模型,在Modelsim中进行功能测试仿真,将电路计算的输出数据均用文本输出保存,然后联合Matlab工具,将最终电路处理输出的结果通过Matlab直观地显示出来以供分析。图6为指纹原图,图7、图8所示为实际仿真测试图,表2为本文算法处理时间与其他算法处理时间的比较。

图7为Matlab工具实现算法的仿真图,图8为硬件电路处理后的指纹数据。由Matlab工具显示的图可见,硬件电路的实现效果良好;滤波后的指纹方向图更加平滑,映射指纹纹理方向,修正了图7(a)方向的跃变;增强指纹图像修复了原图脊线断点,增强了纹线结构。另外,从增强后的细化图(如图9所示)可以看出,增强算法有效减少了因指纹质量而产生的伪特征值。

本文设计了一款用于指纹图像增强的硬件电路,从仿真结果可以看出,电路能较好地对低质量指纹图像的纹理结构进行修复,并可以为指纹预处理过程省去自适应二值化这一复杂步骤,有较高的实用价值,可以应用在指纹识别专用集成电路中。

尽管该电路有着不错的处理效果,但也可以看出在指纹边界处,特别在指纹方向跃变的交界处,其周边指纹信息变化剧烈时,增强效果不是十分良好,容易引入噪声。精确地计算指纹方向图与好的指纹分割算法是一个好的增强算法的前提,这也将是以后研究的重点。

参考文献

[1]Ling Hong,Anil Jain.Fingerprint enhancement[C].Third IEEE Workshop on Applications of Computer Vision,1996:202-207.

[2]O’Gorman L,NICKERSON J V.An approach to fingerprint filter design[J].Pattern Recognition,1989,22(1):29-38.

[3]罗军,肖芳,毛雪莹,等.基于FPGA的方向滤波指纹图像增强算法实现[J].电子技术应用,2010,6(1):13-20.

[4]张烽.基于FPGA嵌入式指纹识别系统研究[D].重庆:重庆大学,2007.

[5]乔治宏,吴晴,乔雨峰.基于方向滤波的指纹图像增强算法研究[J].计算机工程与应用,2004(35):87-89.

[6]Zhang Hong,Wang Xinsheng.A new fingerprint enhancementalgorithm[C].IEEE International Conference Broadband Network and Multimedia Technology,2005:1222-1225.

[7]郭娟.基于FPGA硬件方式实现的指纹识别系统研究[D].上海:上海微系统与信息技术研究所,2007.

篇5：电路线路检查表

关键词：三维互连结构,时延分析,电路网表,SPEF,SPICE

随着集成电路的规模不断增大,集成电路沿着制造工艺特征尺寸逐渐减小,电路集成度逐渐增高的趋势发展。目前,国际上已采用先进的纳米级制造工艺( 特征尺寸在65 nm以下) ,单个芯片集成的晶体管已经达到十亿个[1]。由此引发的问题是,互连线时延占电路时延的比例日益增大。因此,在集成电路的设计与验证中,准确、快速的实现寄生参数提取( 互连线的寄生电阻、电容) ,同时进行准确的电路时延分析,便显得愈发重要[2,3]。

寄生参数提取方法一般使用模式匹配法和场求解器方法。模式匹配法虽然计算速度快,但是在纳米级工艺下,因受限于互连结构的复杂度,已无法满足高精度的要求。而通过数值求解三维静电场方程( 也称“场求解器”) 具有非常高的准确度,因此近年来应用较多[4—7]。基于随机行走的场求解器方法适用于规模大、复杂度高的互连结构,并具有易于并行、准确度高、灵活性好等特点,已被用于一些关键线网、甚至整个电路的寄生电容提取问题[8]。

在使用场求解器进行高精度互连寄生参数提取时,关键问题在于构建刻画互连线的三维几何结构。这个问题通过本课题组的gds2cap程序可以实现将表示二维形状 的集成电 路板图标 准格式GDSII( graphic database system II) 转换为描述三维互连结构的cap3d格式[9]。利用随机行走电容提取算法( RWCap) 读取cap3d格式所表示的三维互连结构便可以计算出线网以及导体块的电容等信息[9]。

为了进行高精度的互连电路时延分析,需要将互连版图结构精确地转换为RC电路网表。其中,除了用场求解器进行准确电容提取,还需考虑如何通过三维导体块信息确定每条信号通路,自动得到RC电路拓扑结构的问题。

提出了一种根据cap3d三维互连结构及参数信息自动判断导体块之间的互连关系、实现导体块排序,并结合RWCap提取出的电容信息进行电路网表生成的数据转换方法,得到的RC电路网表的国际标准文件格式: SPEF( standard parasitic exchangeformat) 和SPICE ( simulation program with integratedcircuit emphasis) 可以进行高精度互连时延分析。实验结果表明,对于中等及以上规模的三维互连结构,可以实现快速、准确和有效地生成国际标准电路网表文件。

1 cap3d 三维线网结构格式和 RWCap电容提取输出格式

1. 1 cap3d 三维线网结构格式

cap3d格式是随机行走电容提取算法RWCap的输入文件格式,是使用gds2cap程序将GDSII格式二维互连版图数据和垂直工艺数据等信息转换为三维线网互连结构及相关信息的一种文本文件格式[9]。

文件格式是以命令行集合形式进行描述,主要包括: window语句表示求解问题的空间域; medium语句描述介质层,其中diel表示相对介电常数; con-ductor语句用于描述线网; block语句表示线网中的每个导体块,而每个conductor语句中又包含1个或多个block,每个block是一个三维长方体结构,由左下角坐标点( base point,也称“基点”) 和右上角坐标点来描述,其中rho表示每个block的电阻率; task表示要提取寄生参数的线网,可以使用“ALL”关键字来表示所有线网[9]。

图1显示了集成电路中三维互连结构与线网的示意图。

1. 2 RWCap 电容提取输出格式

RWCap随机行走电容提取算法的输出文件也是一种文本文件格式,主体内容是提取出的电容值,包含耦合电容值和对地电容值。

主要语法格式为: Master语句描述一个线网的自电容以及绝对误差和相对误差; 节点间的耦合电容使用当前节点相连的两个block名称来描述,如:block1 block2 3. 00e - 18 0. 7,表示导体块block1和导体块block2之间的耦合电容值是3. 00e - 18F( F:默认电容单位) ,相对误差是0. 7% ,每个数据之间以空格相隔; 节点的对地电容是使用两个相同的block名称来描述,如: block1block11. 009e - 160. 297 8。文件最后还会列出随机行走花费的时间以及行走的步数[9]。

2 SPEF 和 SPICE 电路网表格式

在电子设计自动化( EDA) 中,电路连接方面的信息以电路网表形式来描述,例如线网以及相关属性等。而SPEF和SPICE是后续使用电路仿真软件来建立电路方程组并进行高精度电路时延分析的两个重要电路网表格式。

2. 1 SPEF 电路网表格式

SPEF属于IEEE国际标准文件格式,提供了电路中的寄生参数RC网表信息,以文本文件来描述。SPEF文件可以被许多电路仿真软件所使用,进行电路时延分析、电路仿真、功率计算等。所以,它成为了最为流行的标准寄生参数交换格式,可以应用于EDA电路设计中的各个阶段,如提取工具与时延验证工具之间的RC信息传递,也就是进行高精度互连时延分析所需要的信息[10]。

SPEF文件格式有许多描述寄生参数和记录的方法,其中,RC参数取决于线网以及导体块的排布,因此为了进行RC互连电路时延分析在转换时只需要了解* D_NET即可。一个* D_NET对应一个线网结构,里面描述了该线网中每个导体块的电阻和电容,也就是提取出的寄生参数。通常一个*D_NET线网中包括* CONN、* CAP和* RES等部分,其中,首行* D_NET中会给出该线网的总电容,也就是* CAP部分中所有电容的总和; * CONN部分列出了线网中的管脚,每个管脚都有一个方向( I:input,O: output,B: bi-direct) ; * CAP电容部分列出了线网中所有的电容值信息,分为对地电容和耦合电容两种,这里只用到对地电容值即可; * RES电阻部分列出了线网中所有的电阻值信息,表示每两个节点之间的电阻值。最后整个* D_NET部分以* END行结束。

在生成SPEF文件时应注意,在SPEF文件的头部需要给出文件中时间、电阻、电容以及电感的单位,在后面* D_NET的描述中,所有数值的单位与头部的标准单位相同,所以选取合适的标准单位是必要的。

2. 2 SPICE 电路网表格式

SPICE是由美国 加利福尼 亚大学伯 克利( Berkeley) 分校的电工和计算机科学系开发的电路仿真软件。其输入文件通过文本格式来描述,由一系列电路描述行和控制行组成的,也就是所谓的SPICE电路网表格式文件[11]。

SPICE电路网表格式主要由标题语句、电路的描述语句、电路特性分析和控制语句以及结束语句组成。文件中的第一行是标题语句,仅作为文件标识起到说明作用,不作为电路的一部分进行分析; 文件的最后一行是结束语句( . END) ,表示电路描述语句结束; 电路特性分析和控制语句以一个实心圆点( . ) 作为语句起始标志,主要描述要选择分析的电路特性及控制命令; 电路描述语句用于定义电路拓扑结构和元器件类型及其数值等,一般由元器件描述语句、模型描述语句、电源语句等组成,其中元器件描述语句是需要重点分析生成的语句,它可以对线性元件和非线性元器件进行描述。语句中的第一个字母是关键字,它可以确定电路元器件类型,例如: C代表电容,R代表电阻,等[12]。面向RC互连电路时延分析主要生成的就是电阻和电容器件的参数信息,其语法格式如下

其中,N + 和N - 是所连接的正、负两个节点号,< Mod Name > 为模型名,Value是电阻或电容值,IC定义了电容的初始电压V0。其中,电阻值的单位为欧姆( Ω) ,电容值的单位为法拉( F) 。

3 三维线网结构到电路网表标准格式的转换算法

为实现高精度时延分析,三维线网结构在描述时需要将较长的线网描述为阶数较多的分布RC电路,因此,cap3d文件中的导体结构在描述时需将长导体块切割划分为多个小的导体块。由gds2cap程序生成的cap3d文件虽能完整的描述三维线网结构,但是由于线网连通关系的调整以及有些导体经过切割等处理,每个线网中导体块的顺序被打乱,因此,结合工艺文件通过电阻率计算出电阻值后,需要先处理三维导体块之间的互连关系,然后进行信号通路判断,将有效导体块排序,最后结合提取出的电容值按照相应格式生成电路网表文件。具体程序流程图见图2。

3. 1 判断三维导体块之间的连接关系

由gds2cap程序判断得知cap3d文件中各个线网( conductor) 是互不相连的,所以只需对同一线网中的导体块之间的连接关系进行分析即可。虽然在gds2cap程序中曾用并查集来表示同一个线网中导体块之间的连接关系,但在这里无法使用,因为经过路径压缩后的并查集仅能用来表示所有的导体块在同一个集合,而并没有给出两两导体块之间的连接关系,即一个导体块与哪一个导体块连接或重叠。此时,通过导体块关系算法对一个线网中的所有导体块两两比较,得到它们之间的相交、重叠等关系,并将其存入初始化好的邻接链表中。

图3( a) ~ ( c) 分别给出了导体块两两之间的关系和互连线网的结构,其中,图3( a) 表示导体块的相交关系,block1和block2构成相交关系,block2和block3构成相交关系; 图3( b) 使用透视图形式表示导体块的重叠关系,由图中可以看出block1的右端和block2的上端属于重叠关系; 图3( c) 表示三维互连线网的分支结构,即一个导体块同时与2个及以上导体块相交,且不形成回路状态的结构称为分支结构,如: 图中block3和block4分别与block1相交,构成了一种分支结构。

3. 1. 1 导体块相交和重叠判断算法

由1. 1节可知,在cap3d格式中导体块使用左下角坐标点和右上角坐标点来描述。以图3( a) 和3( b) 中两个导体块block1和block2为例,在判断这两个导体间是 否相交或 重叠时,如果block1和block2的左下角坐标点的最大值小于或等于两导体块的右上角坐 标点的最 小值,则认为block1和block2在线网中是相交或重叠的关系。具体过程可通过下面算法伪码来描述:

算法1导体块相交和重叠判断算法

在算法1中,max函数和min函数用于判断坐标绝对值的大小。

3. 1. 2 三维线网分支结构判断算法

三维线网的结构一般有顺序结构和分支结构两种,导体块依次相交且没有首尾相连的结构称为顺序结构,是线网中最简单的一种结构,这里重点讨论分支结构,如图3( c) 所示。

在判断一个线网是否是分支结构时,需要先判断线网中的所有导体块的关系,只有相交关系才可能构成分支结构,将相交关系的导体块编号保存为邻接链表,最后判断每一行的元素个数,元素个数大于等于2则表示当前导体块至少有2个导体块与之相交,在这个线网中存在分支结构。具体过程可通过下面算法伪码来描述:

算法2三维线网中分支结构判断算法

3. 2 三维线网中导体块排序

为了保证正确、快速的生成网表文件,在结束线网中导体块连接关系处理后,需要对处理后的导体块按照连接关系进行排序,这里选用图结构中的邻接链表来表示导体块间的连接关系。然后再使用广度优先搜索遍历算法对邻接链表进行拓扑排序,分析导体块的拓扑结构,并按照信号通路的block顺序和相应文件格式进行转换:

算法3图的广度优先排序算法

初始化所有顶点设置为未被访问过;

初始化一个辅助用的队列;

3. 3 生成电路网表文件

为生成电路网表文件,首先需求解RC电路中的电容值和电阻值,以图4为例简要分析电路中的对地电容值和电阻值的计算方法。图中描述了包含两个导体块( block1和block2) 和三个节点( node1、node2和node3) 的一个三维互连线网。

电路中节点处的对地电容值可用公式简单描述为:

式( 1) 中Cnode为节点对地电容值,Cblock( L)和Cblock( R)为节点两端导体块电容值,导体块电容值由RWCap提取。以图4为例,则节点1处的对地 电容为Cblock1/2 ,而节点2处电容为 ( Cblock1+ Cblock2) /2。

电路中两个节点间的电阻值则需要由导体块的长、宽和高结合cap3d文件中的电阻率( rho) 单独计算得出。具体计算公式为

式( 2) 中L、W和H分别为导体块互连线的长、宽和高,ρ为电阻率( rho) 。

经过3. 1节和3. 2节处理后的三维线网结构结合提取出的互连导体块电容以及计算出的电阻率等信息进行整理合并,得到对应的按照连接通路顺序排布的RC电路以及线网中的各导体块信息,分别按照不同的电路网表格式即可生成电路仿真和后续时延分析所需的SPEF和SPICE电路网表文件。

4 实验分析与结果

为验证电路网表生成算法的有效性和可行性,现用C ++ 语言实现了生成程序Net Listing。实验环境为Intel Xeon E5—2630 12核CPU的Ubuntu Linux工作站,g ++ 4. 8. 1版本,编译语句为: g ++ - std =c + + 11 - g - O3。实验选取了一个集成电路设计中的线网结构( cap_inverter. gds2) 作为例子,该例子中涉及五层导体块,包括三个金属层和两个通孔层,使用130 nm制造工艺文件。通过gds2cap程序生成cap3d文件,得到8个不相交的线网,共85个导体块。

这里选取其中的一个线网进行结果分析。如图5所示,该线网由5个导体块组成,线网名称为con-ductor0,导体块名称为block10 _0 _6,…,block14 _0 _6。通过RWCap提取的电容值如下:

Master conductor0 : 2. 173e - 15F + / - 2. 17e- 17F ( 1. 00% )

caperr conductor0 conductor0 2. 173e - 15 0. 0100

caper conductor0 : : block12 _ 0 _ 6 conductor0 : : block12_0_6 2. 640e - 16 0. 0351

caperr conductor0: : block14 _ 0 _ 6 conductor0: :block14_0_6 2. 736e - 16 0. 0339

caperr conductor0: : block11 _ 0 _ 6 conductor0: :block11_0_6 1. 114e - 15 0. 0196

caperr conductor0: : block10 _ 0 _ 6 conductor0: :block10_0_6 1. 140e - 15 0. 0191

caperr conductor0: : block13 _ 0 _ 6 conductor0: :block13_0_6 2. 383e - 16 0. 0341

从提取的结果可以得出,导体块block12_0_6的对地电容值是2. 640e - 16 F,导体块block14_0_6的对地电容值是2. 736e -16 F,其他依次类推。将提取出的电容值代入公式( 1) 可以计算出电路中每个节点的对地电容值,结合公式( 2) 计算出的电阻值,生成的SPEF文件如下( 电容单位为p F,电阻单位为Ω) :

* CAP

1 IN_NODE: 4 0. 0001368

2 NODE : 41 0. 0006938

3 NODE : 13 0. 00067615

4 NODE : 30 0. 00068915

5 NODE : 02 0. 000702

6 OUT_NODE : 2 0. 000132

* RES

1 NODE: 4 NODE: 41 2. 714

2 NODE : 41 NODE : 13 18. 998

3 NODE : 13 NODE : 30 4. 071

4 NODE : 30 NODE : 02 18. 998

5 NODE : 02 NODE : 2 2. 714

同理,由公式( 1) 和式( 2) 计算出的电容值和电阻值按照SPICE格式生成如下:

C1 1 0 0. 0001368 p F

C2 2 0 0. 0006938 p F

C3 3 0 0. 00067615 p F

C4 4 0 0. 00068915 p F

C5 5 0 0. 000702 p F

C6 6 0 0. 000132 p F

R1 1 2 2. 714 Ohm

R2 2 3 18. 998 Ohm

R3 3 4 4. 071 Ohm

R4 4 5 18. 998 Ohm

R5 5 6 2. 714 Ohm

为了验证Net Listing程序的执行效率,实验中对多个集成电路设计中的线网结构进行了分析。如表1所示,上面这个例子 ( cap _ inverter. cap3d ) ,使用RWCap计算电容参数时,程序运行共花费了124. 30 s,使用Net Listing程序生成电路网表时,程序运行共花费0. 03 s; 另一个稍大的例子( cap_nand. cap3d) 包含10条线网和163个导体块的例子,使用RWCap计算电容时,由于跨越介质层较少,因此程序耗时为91. 57 s,使用Net Listing程序生成电路网表时,由于实际有效导体块个数比例子cap_inverter. cap3d中要少,所以程序耗时也相对较短,共花费0. 02 s; 对于大规模的线网例子cap_large. cap3d,包含105条线网,9 617块导体,由于RWCap使用的是场求解器方法,计算精度较高,而计算速度较慢,因此计算电容耗时11 907 s,使用Net Listing程序生成电路网表耗时12. 99 s。由此可以看出,电路网表生产程序Net Listing具有非常高的执行效率。

5 结束语

提出一种面向高精度互连时延分析的电路网表生成方法,基于三维导体块的相交判断算法,利用邻接链表存储导体块之间的互连关系,并通过三维线网结构的判断得到RC电路完整的信号通路。结合计算出的电容值和电阻值可以生成SPEF和SPICE两种电路网表格式。

通过对多个来自实际集成电路设计中的线网结构进行实验验证,利用该方法可以准确、有效地生成电路网表文件,使后续的电路仿真和高精度时延分析成为可能。当然,该方法还需要根据后续工作进一步的优化算法以及完善功能。

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