電路圖比對方法的研究與應用

韋忠善, 王力虎

(1.廣西職業技術學院 計算機與電子信息工程系,廣西 南寧 530226;2.廣西師范大學 物理科學與技術學院,廣西 桂林 541004)

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電路圖比對方法的研究與應用

韋忠善1, 王力虎2

(1.廣西職業技術學院 計算機與電子信息工程系,廣西 南寧 530226;2.廣西師范大學 物理科學與技術學院,廣西 桂林 541004)

定義一種電路圖特征向量及其提取，提出了一種電路圖比對方法,實現了二維電路圖形信息到一維字符信息的轉換。通過比對電路圖特征向量，可以判別兩電路圖是否一致。將所提出的電路圖比對方法應用于模擬電路設計練習系統的開發，實現了電路設計練習的對錯自動評判。實踐應用表明，電路圖比對方法簡單有效，所開發的練習系統深受好評，有較好的應用價值和推廣前景。

電路圖比對； 電路設計； 練習系統

0 引 言

模擬電子技術是電子信息、通信和電氣類專業最重要的技術基礎課程[1-4]，旨在培養學生對典型模擬電路的分析能力和設計能力。對于第一個目標，相對容易實現，而對于第二個目標，實現比較困難。一個主要原因在于，教材及其配套的練習系統提供的練習題，多為電路分析題目，幾乎沒有電路設計題目，因而，學生平時訓練，多是進行電路分析的訓練，很少進行電路設計的練習[5-8]。為了培養學生對典型模擬電路的設計能力，有必要開發一個模擬電路設計練習系統，提供給學生作電路設計練習之用。

在模擬電路設計練習系統的設計與實現過程，面臨最大的技術困難是：如何對學生所畫的電路圖與系統提供的標準電路圖進行比對，從而判別學生所設計電路的對錯[9-10]。關于電路圖比對的技術，國內外還沒見有相關文獻報道。為了解決此技術難題，提出了一個電路圖比對方法，具體思路是定義一個電路圖特征向量，用以描述電路圖隱含的電路拓樸和電路參數，通過提取待比對的兩電路圖的電路圖特征向量，將二維電路圖形信息轉換成一維字符串信息，最后對待比對的兩電路圖的電路圖特征向量進行一致性比較，若完全一致，表明兩電路圖指向同一電路，否則，表明指向不同的電路。

應用文中的電路圖比對方法，開發了一個模擬電路設計練習系統，系統有幾個特色：①系統具有“設計對錯自動評判”功能，滿足了“即時反饋” 現代教學理驗要求；②系統提供題庫，同時提供題目開發功能，支持教師對題庫進行二次開發，如增添新題目，或修改原有題目，從而使練習系統普適于不同學校，也更有生命力；③系統自帶電路繪圖模塊，系統運行無需借助于任何第三方工具，具有易安裝、易使用的特點。所開發的練習系統，經3所學校10多個班級試用，深受歡迎，表明練習系統有較大的應用價值和推廣前景。

1 電路圖比對方法

電路圖隱含電路的兩個要素：電路拓樸和電路參數。電路拓樸指電路元件及其電氣連接關系，電路參數指電路元件的參數值。圖形不同的電路圖，若隱含的電路拓樸和元件參數一致，則實質為同一電路，只是表現形式不同，反之，各指向不同的電路[11-15]。如圖1的兩電路圖，左圖為系統提供的共發射極放大電路，右圖為學生設計的共發射極電路，兩電路圖從圖形上有較大的不同，但隱含的電路拓樸和電路參數完全相同，實質為同一電路。

圖1 圖形形式不同但實質為同一電路的兩電路圖

為了檢驗用戶的設計是否正確，可將用戶所畫的電路圖與題庫提供的標準電路圖進行比對，比對內容為兩電路圖隱含的電路拓樸和電路參數，若完全一致，表明設計正確，否則，表明設計錯誤。

若是人工比對，比較容易實現，因為人腦可過濾電路圖形式上的干擾，只專注比對電路圖的電路拓樸和電路參數是否一致；若讓計算機程序完成比對，需要設計一個合適的數據結構，用來存放從電路圖提取的電路拓樸和電路參數，然后通過比對數據結構的各元素，完成電路圖比對。

文中，先定義元件引腳特征字，然后用元件引腳特征字定義節點特征字，再用節點特征字定義電路圖特征向量，最后通過比對電路圖特征向量，實現電路圖比對的自動化。

1.1 電路圖特征向量

每張電路圖包含若干個節點，每個節點連接若干個元件的引腳，若電路圖的節點及節點所連接的元件引腳確定，則電路圖所隱含的電路拓樸和電路參數就確定。反過來，由若干個元件的引腳屬性，可以確定一個電路節點屬性，由若干個節點的屬性，可以確定一張電路圖的電路拓樸和電路參數。

為此，定義元件引腳特征字，一個元件引腳特征字，對應一個元件的一個引腳，用來描述此引腳屬性。再用元件引腳特征字定義節點特征字，一個節點特征字，對應一個節點，用來描述此節點屬性。最后，由節點特征字定義電路圖特征向量，用來描述電路拓樸和參數。

電路圖特征向量隱含也僅隱含電路圖的電路拓樸和電路參數數據，無冗余數據，依據電路圖特征向量提取算法程序，確定的電路圖能也只能生成唯一的電路圖特征向量，因而，可以通過比對電路圖特征向量，實現電路圖比對的自動化。

從電路圖到生成電路圖特征向量，實質是從二維平面圖形信息轉換成一維字符串信息的過程，實現了信息維度下降的同時，實現了信息從圖形到文字轉變，從而，顯著降低了電路圖比對的難度。

1.1.1 元件引腳特征字定義

元件引腳特征字(Pin Feather String,PFS)定義為：PFS=元件類型標識+[元件參數]+[引腳名]。其中，元件類型標識用以標識元件的類型，如“R”、“D”和“C”分別為電阻、二極管和電容的元件類型標識；[元件參數]為可省項，用以標記有參數值的元件的參數值，如“100 kΩ”、“ 10 μF”分別表示電阻阻值和電容容量；[引腳名]也為可省項，用以標記有極元件的引腳名稱，如“P”和“N”分別標記正極(或正相端)和負極(或反相端)，“b”、“c”、“e”分別標記三極管的基極、集電極和發射極。元件引腳及其特征字實例為:100 kΩ電阻引腳(R100K),5.1 V穩壓二極管正極(Z5.1VP),NPN三極管的基極(NPNb),運放的正相輸入端(OPAPi),發光二極管的負極(LEDN),+5 V直流電源(VCC+5 V)。其中:R、Z、NPN、OPA、LED和VCC分別為對應元件類型標識;P和N分別指正極(或正相端)和負極(或反相端);i指輸入端。

1.1.2 節點特征字定義

設有一電路節點，連接有M個元件，由M個元件的引腳特征字組成集合為

PFS={pfsi}，i=1,2,…,M

把集合PFS的引腳特征字，按其值由大到小排列，組成向量為：

(pfs1,pfs2,…,pfsM)， ?sj∈PFS，j=1,2,…,M

把向量(pfs1,pfs2,…,pfsM)的每個分量，按從左到右順序串接起來，所得字符串定義為節點特征字(nfs: node feather string)，表示為：

nfs=pfs1-pfs2-…-pfsM

式中，“-”用以分隔前后特征字。

所謂特征字的值非一般數值概念，只有兩特征字比較時才有意義，兩特征字的值比較算法用C語言描述如下：

Int StringCompare(const char *str1, const char *str2)

{ int N1, N2;

N1=strlen(str1); //計算字符串的長度。

N2= strlen (str2);

if (N1>N2)

return(1); //若字符串1的長度大于字符串2的長度，返回1。

else if (N1

return(-1); //若字符串1的長度小于字符串2的長度，返回-1。

else //若兩字符串長度相等，再調用字符串比較函數strcmp()比較兩字符串大小

{ N1= strcmp(str1,str2);

if (N1>0)

return(1); //字符串1大于字符串2，返回1。

else if (N1<0)

return(-1); //字符串1小于字符串2，返回-1。

else

return(0); //字符串1等于字符串2，返回0。

}

}

以圖1左電路圖三極管基極所在節點為例，其節點的元件引腳特征集合為：

{“NPNb”，“R510K”，“C10uP”}

按特征字的值由大到小排列，生成向量為：

(“R510K”，“C10uP”，“NPNb”)

按從左到右順序，把上向量的分量串接起來，得此節點的特征字為：

nfs=“R510K-C10uP-NPNb”

1.1.3 電路圖特征向量定義

設有一電路圖，有N個節點，由N個節點的節點特征字組成的集合為：

NFS={nfsi}，i=1,2,…,N

對集合NFS的節點特征字，按其值由大到小排列，組成向量定義為電路圖特征向量(circuit feather vector，CFV)，表示為：

CFV=(nfs1,nfs2,…,nfsN)，

?nfsj∈NFS， j=1,2,…,N

以圖1左電路圖為例，由電路圖6個節點的節點特征字組成的集合為：

NFS={“C10uN-Vi”，“R510K-C10uP-NPNb”，“NPNe-Gnd”，“C10uP-NPNc-R2K”，“VCC+5 V-R510K-R2K”，“C10uN-Vo” }

由集合NFS生成的電路圖特征向量為：

CFV=(“VCC+5V-R510K-R2K”，“R510K-C10uP-NPNb”，“C10uP-NPNc-R2K”，“NPNe-Gnd”，“C10uN-Vo”，“C10uN-Vi”)

用同樣方法，所得到的圖1右電路圖的電路圖特征向量與上表達式相同，表明圖1兩電路圖實質為同一電路。

1.2 電路圖特征向量提取

電路圖特征向量提取算法描述如下：

AssignNumberForEachNode()； //統計電路圖節點，并分配節點號

For each node //遍歷每個電路節點

{ AssignNumberForEachPin(node) //統計節點連接元件的引腳，并分配引腳號

For each pin //遍歷每個引腳

{ Generate_pfs(pin); } //產生引腳特征字

}

Generate_PFS(node); //產生節點的引腳特征字集

Generate_VectorOfPFS(node); //產生節點的引腳特征字向量

Generate_nfs(node); //產生節點特征字

}

Gererate_NFS()； //產生節點特征字集

Generate_VectorOfNFS()； //產生電路圖特征向量

1.3 支路等效

利用上述方法，可以解決圖1兩電路圖的比對，但應用于圖2左兩電路圖，會得出兩電路圖為不同電路的結論。但其實，圖2左兩電路圖，盡管隱含的拓樸不完全一致，差異表現在R1和D1位置上的互換，但兩者是同一支路的兩個元件，其串接順序的不同，對電路功能并無任何影響，因此，兩電路圖實質上完全等效。

圖2 圖形拓樸存在差異但實質為同一電路的兩電路圖及其等效電路圖

為了排除支路元件串接順序不同給電路圖比對帶來的干擾，提出支路等效方法——對任一支路，若支路含K個元件(K≥2)，可用一虛擬元件等效此K個元件的串聯，用來等效的虛擬元件，稱為支路等效元件。

以圖2(a),(b)兩電路圖的R1和D1所在支路為例，介紹支路等效元件引腳特征字定義與生成算法。

設R1和D1的等效元件為Comp，Comp也存在兩引腳，其上引腳和下引腳分別接至電容U1正極和負極。經過支路等效后，圖2(a),(b)兩電路圖的等效電路圖如圖2(c)電路圖所示，Comp上引腳特征字計算方法如下：

分別由R1和D1的上引腳特征字組成集合：{“R100”，“LEDP”}。對集合{“R100”，“LEDP”}按值由大到小排序，生成特征字向量：(“LEDP”，“R100”)。按從左到右順序，把向量(“LEDP”，“R100”)的每個元件引腳特征字串接起來，所得字符串定義為等效元件Comp的上引腳特征字，表示為：“LEDP-R100”。同樣方法，可以得到Comp下引腳特征字為：“LEDN-R100”

顯然，對于圖2(a),(b)兩電路圖，盡管R1和D1位置互換，但兩元件在同一支路，經過支路等效變換后，等效電路圖的等效元件的上引腳特征字都為“LEDP-R100”，下引腳特征字都為“LEDN-R100”，因而，消除了支路元件串接順序不同給電路比對帶來的影響。

若D1極性接反，等效元件Comp的上引腳和下引腳特征字互換，分別為“LEDN-R100”和“LEDP-R100”。可見，等效元件的引腳特征字，包含支路各元件的類型、參數值、方向等必要信息，剔除了給電路圖比對帶來干擾的元件串接順序信息。

引入支路等效方法后，在進行電路圖特征向量提取前，應先完成支路統計與支路等效步驟。

2 模擬電路設計練習系統

2.1 練習系統組成

練習系統組成框圖如圖3所示。

圖3 模擬電路設計練習系統框圖

在題目開發階段，調用電路繪圖單元，繪制題目的標準電路圖；調用題目編輯單元，編輯題目的文本(題目介紹和要求)；調用題目存儲單元，保存題目。保存內容包括題目的文本、元件數據和連接線數據，元件數據包括電路圖各元件的擺放方向、坐標和參數等數據，連接線數據包括電路圖各電氣連接線的端點坐標數據。

在電路設計練習階段，選擇好題目后，題目編輯與顯示單元顯示題目的文本；元件與連接線參數讀取單元讀出所存標準電路圖的元件數據和連接線數據；讀出數據送兩路，一路送至連接線刪除單元，把當中的連接線數據刪除，再把余下的數據送至元件位置和方向隨機設置單元，對元件的坐標和方向進行隨機設置，然后由電路繪圖單元繪出隨機擺放的元件；另一路送至電路圖特征向量提取單元，提取出標準電路圖的電路圖特征向量(簡稱標準電路圖特征向量)；在電路繪圖區，練習者依據設計要求，重新擺放元件、添加連接線，完成電路設計；練習者完成電路設計后，系統把練習者所畫電路圖的元件數據和連接線數據送至電路圖特征向量提取單元，提取練習者所設計的電路圖的電路圖特征向量(簡稱設計電路圖特征向量)；最后，由電路圖特征向量比較單元，對標準電路圖特征向量和設計電路圖特征向量進行一致性比較，若兩者完全一致，提示設計正確，否則，提示設計錯誤。

2.2 實 例

以NPN管驅動LED電路為例，介紹練習系統的應用。

題目開發時，開發界面如圖4所示。在左邊的電路繪圖區，添加元件，翻轉元件到合適方向，移動元件到需要位置，編輯元件參數，最后添加連接線，繪出題目的標準電路圖。在右邊文本編輯區，編寫題目介紹和電路設計要求。

圖4 題目開發界面實例

電路設計練習時，當選擇好題目后，系統重現題目介紹和電路設計要求，但刪除了連接線，只顯示所存電路圖的元件，且元件的方向和位置為隨機設定，繪圖區顯示內容如圖5所示。在繪圖區，練習者根據電路設計要求，分別移動各元件，翻轉各元件到需要方向，再添加連接線，完成電路設計。

圖6為一練習者所設計的電路圖，盡管從圖形上，與標準電路圖有較大的差別，且D1和R1的串接順序也不一樣，但經過支路等效，提取、比對兩電路圖特征向量，系統可判定兩電路圖實質為同一電路，指示練習者設計電路正確。

圖5 電路設計練習時的初始界面

圖6 一練習者完成電路設計后的界面

圖7為另一練習者所設計的電路圖，盡管電路拓樸與標準電路完全相同，但電路參數有差異，表現在兩個電阻的參數上，經過提取、比對兩電路圖特征向量，系統可判定兩電路圖并非同一電路，指示練習者設計電路錯誤。

圖7 另一練習者完成電路設計后的界面

3 結 語

開發模擬電路設計練習系統的最大技術難題是如何判別練習者所設計電路的對錯，為此，提出了一種電路圖比對方法。所提方法定義了一種電路圖特征向量，所定義電路圖特征向量只包含電路圖的電路拓樸和電路參數信息，沒有其它冗余信息，通過提取、比較待比對兩電路圖的電路圖特征向量，可以判別兩電路圖是否一致。將電路圖比對方法應用于模擬電路設計練習系統，實現了“設計對錯自動評判”關鍵功能，練習系統經三所學校十多個班級試用，深受好評。項目組正在優化系統、豐富題庫，爭取把系統推廣到更多學校，服務更多學生。

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Study and Application of Circuit Diagram Comparison Method

WEIZhong-shan1,WANGLi-hu2

(1. Department of Computer and Electronic Information Engineering, Guangxi Vocational and Technical College，Nanning 530226, China; 2. College of Physical Science and Technology, Guangxi Normal University,Guilin 541004, China)

The article offers a kind of means for schematic comparison. The method is to define the characteristic vector for a circuit diagram, and then to convert information of a two-dimension circuit diagram into one-dimension character information. By extracting and comparing characteristic vector of circuit diagram, two circuit diagrams are judged whether or not to be consistent with each other. The method proposed in this paper can be applied to the development of analog circuit design practice system, and realized the automatic evaluation on right or wrong for circuit design. Application results show that the method is simple and effective, the practice system is highly regarded, and has high application value and promotion prospects.

circuit diagram comparison; circuit design; practice system

2015-03-10

廣西教育廳科學研究基金項目(YB2014486)

韋忠善(1972-)，男，廣西橫縣人，碩士，副教授，電子技術教研室主任，主要從事電子技術、計算機仿真技術教學與研究。

Tel.：13768516507;E-mail：724704157@qq.com

TP 311

A

1006-7167(2016)01-0097-05