梁曉鈺 李石林 從 浩 連芯玉 樓冠廷

（合肥工業(yè)大學(xué)，合肥230009）

印刷電路板布線要求嚴(yán)格，必須確保電路板布線的線寬、線間距等達(dá)到要求，才能保證電路板的質(zhì)量。越早識(shí)別電路板的缺陷，越早減少不合格PCB的數(shù)量，才能提高最終產(chǎn)品的合格率，并通過(guò)減少產(chǎn)品返廠數(shù)量和降低產(chǎn)品報(bào)廢率，以降低生產(chǎn)成本[1]?，F(xiàn)在常用的檢測(cè)方法有人工測(cè)試、電測(cè)試和光學(xué)測(cè)試[2]。但是，大多數(shù)檢測(cè)方法的實(shí)現(xiàn)需外接計(jì)算機(jī)，其便攜性低、耗時(shí)長(zhǎng)，本文所闡述的檢測(cè)系統(tǒng)主要功能的實(shí)現(xiàn)全部依靠硬件，其便攜性高、反應(yīng)速度快，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，相比較其他檢測(cè)方法，其在檢測(cè)準(zhǔn)確率和可靠性方面有很大的提高，是對(duì)智能化的電路板檢測(cè)手段的有益探索。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文所研究的檢測(cè)主系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電路板表面布線圖的成像與錯(cuò)誤檢測(cè)、實(shí)現(xiàn)觸摸屏上的人機(jī)交互。該檢測(cè)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)如圖1所示，系統(tǒng)上電后，觸摸屏端由使用者發(fā)送運(yùn)行指令，DsP芯片主控，被控步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)的XYZ方向?qū)к夁\(yùn)動(dòng)，被放置在載物臺(tái)上的電路板運(yùn)動(dòng)到合適位置，Z向移動(dòng)可自動(dòng)調(diào)焦的OV5640模塊最佳的圖像數(shù)據(jù)，對(duì)采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果送至ARM供TFT觸摸屏顯示。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2 系統(tǒng)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)機(jī)械部分主要包括導(dǎo)軌及其驅(qū)動(dòng)和整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)。考慮到圖像信息獲取的特點(diǎn)，本文所設(shè)計(jì)的臺(tái)子參考了二維數(shù)控工作臺(tái)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在z方向增加一維導(dǎo)軌以實(shí)現(xiàn)圖像采集模塊的運(yùn)動(dòng)，以得到質(zhì)量更高的圖像數(shù)據(jù)。

在以諸多工作臺(tái)的設(shè)計(jì)為參考的情況下，由于市面上有專業(yè)的直線導(dǎo)軌模組制造廠商，所以設(shè)計(jì)過(guò)程中，先選擇好整個(gè)工作臺(tái)所需的直線導(dǎo)軌模組，然后圍繞直線導(dǎo)軌模組進(jìn)行工作臺(tái)建模進(jìn)行設(shè)計(jì)[3-4]。為了能夠適應(yīng)各種面積的電路板，本系統(tǒng)的水平面內(nèi)XY方向?qū)к壭谐潭?00mm，為了配合圖像傳感器的合適采樣高度，z向選用行程為100mm的導(dǎo)軌。工作臺(tái)的整體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 整體設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)上述建模，結(jié)合導(dǎo)軌模組各部分尺寸和各部分功能實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)進(jìn)行建模。在該系統(tǒng)中，導(dǎo)軌選用的是滾珠絲杠1605線性滑臺(tái)KR60，電機(jī)選用的是兩相57步進(jìn)電機(jī)，步距角為1.8°/步，采用M542H兩相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)各部分實(shí)體零件和裝配精度為±0.5°。

3 系統(tǒng)DSP控制部分的設(shè)計(jì)

DsP控制是本系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，該部分主要完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)、對(duì)CMOs圖像傳感器采集的圖像進(jìn)行處理以及與ARM主控制模塊的通信等。

3.1 DSP核心板選取

本系統(tǒng)選用了TI公司的TMs320C6748型號(hào)的DsP芯片，TMs320C6000系列是TI公司1997年2月推向市場(chǎng)的剛性能DsP，綜合了目前DsP性價(jià)比高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)[5-6]。其具有以下優(yōu)點(diǎn)：TMs320C674x為具有定點(diǎn)和浮點(diǎn)功能的DsP，在典型使用情況下總功耗僅為420MW，適用于便攜產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于數(shù)字通信和圖像處理等領(lǐng)域；內(nèi)部為哈佛結(jié)構(gòu)，采用專門的乘法器以及流水線操作，采用自身的DsP指令，有可編程定時(shí)高速串口接口、多處理器連接接口等，并設(shè)置了專門的硬件數(shù)據(jù)指針的逆序?qū)ぶ饭δ?，處理速度快?/p>

3.2 DSP內(nèi)控制程序的實(shí)現(xiàn)

3.2.1 滑臺(tái)位置控制

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，使用DsPTMs320C6748和驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)兩相J-5718HB步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)XY方向步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)。預(yù)判拍攝是否完整，如若不完整，則驅(qū)動(dòng)XY向直線滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)相應(yīng)的步數(shù)，將被采樣PCB板移至相機(jī)視野范圍內(nèi)。其中，導(dǎo)軌兩端安裝有限位開(kāi)關(guān)，當(dāng)滑塊靠近導(dǎo)軌兩端時(shí)，該接近開(kāi)關(guān)產(chǎn)生低電平，滑塊停止運(yùn)動(dòng)。

3.2.2 圖像處理算法流程

這里對(duì)實(shí)現(xiàn)電路板布線的圖像處理算法流程進(jìn)行闡述，如圖3所示。

圖3 圖像處理算法流程

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電路板布線圖提取和比對(duì)所采取的方法如下。

（1）線路提取。將彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖，以減少后續(xù)的運(yùn)算量；對(duì)灰度圖G進(jìn)行線性灰度拉伸，最亮的為背景與一些白色的焊盤，中間灰度的為PCB的覆銅區(qū)域，最暗的部分為走線的邊界，通過(guò)灰度拉伸將走線突出出來(lái)；對(duì)圖像進(jìn)行高斯濾波，濾除高頻噪聲；使用最大類間方差進(jìn)行閾值分割，根據(jù)圖像的灰度特性，將圖像分為前景和背景兩個(gè)部分，當(dāng)取最佳閾值時(shí)，兩部分之間的差別應(yīng)該是最大的。

（2）模板匹配與對(duì)比。模板匹配使用的是序貫相似算法（ssDA），使二值化圖像與模板進(jìn)行對(duì)齊[7-8]。序貫相似算法通過(guò)計(jì)算兩幅圖像的殘差和來(lái)度量?jī)煞鶊D像的相似度，當(dāng)殘差和超過(guò)閾值時(shí)，滑動(dòng)到下一個(gè)位置，以尋找最佳匹配點(diǎn)。將搜索圖與二值化的圖像通過(guò)點(diǎn)對(duì)齊，相減得到兩幅圖像的差影，再對(duì)差影圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)開(kāi)操作，去除圖像中較小的干擾區(qū)域，留下的大區(qū)域即為圖像的缺陷，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行紅框標(biāo)記。

4 人機(jī)交互設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用sT公司的sTM32F103作為人機(jī)交互功能實(shí)現(xiàn)的主控CPU，其內(nèi)核為Cortex-M3，被廣泛應(yīng)用于人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)，其控制可控觸摸TFT屏模塊實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，所使用的可控觸摸TFT屏模塊是由正點(diǎn)原子開(kāi)發(fā)的7寸觸摸屏模塊，具有以下特點(diǎn)：高分辨率，刷屏達(dá)86幀/s，采用電容觸摸屏，支持5點(diǎn)同時(shí)觸摸，支持8/9/12/16位8080并口連接，支持16/18/24位色彩深度，支持背光亮度控制，亮度調(diào)節(jié)方便。

在該部分中，CPU驅(qū)動(dòng)觸摸屏模塊從sD卡中讀取所需

顯示的圖像數(shù)據(jù)，觸摸屏上控件保持等待被觸摸后，執(zhí)行報(bào)錯(cuò)和圖像顯示兩項(xiàng)命令。

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)利用單目相機(jī)采樣并采用圖像處理的辦法進(jìn)行PCB板表觀缺陷檢測(cè)，其符合現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，圖像匹配算法的改進(jìn)以及光源的設(shè)計(jì)仍需進(jìn)一步考慮。本文提出的系統(tǒng)采用ssAD算法能夠?qū)崿F(xiàn)圖像匹配，但是實(shí)際情況下光源的控制、鏡頭的畸變等因素會(huì)造成取樣圖片質(zhì)量不理想，使其難處理，因此需要進(jìn)一步優(yōu)化圖像處理算法并加入光源的設(shè)計(jì)。這一問(wèn)題也是本系統(tǒng)進(jìn)一步研究和改進(jìn)的方向。