馬春斌， 黃 文，李宗澤

(國營長虹機(jī)械廠,廣西 桂林 541003)

0 引言

紅外熱像技術(shù)在國外發(fā)展較快，紅外熱像儀出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代[1]，以美國為代表的發(fā)達(dá)國家將紅外熱像技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域等[2]，20世紀(jì)60年代，美國空軍開展紅外熱像技術(shù)對(duì)電子設(shè)備故障診斷的研究，20世紀(jì)70年代，休斯公司航空公司研制出了紅外故障隔離測(cè)試系統(tǒng)[3]和自動(dòng)紅外檢測(cè)系統(tǒng)[4-5]，能夠向測(cè)試人員提供可能的故障區(qū)域。20世紀(jì)80年代以來紅外技術(shù)得到快速發(fā)展，紅外熱成像技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

與西方發(fā)達(dá)國家相比，我國在紅外熱成像故障診斷技術(shù)研究方面起步較晚，自20世紀(jì)90年代以來紅外熱像技術(shù)迅速發(fā)展，國內(nèi)以電子科大、電子工程學(xué)院、軍械技術(shù)研究所、西安交大等科研院校開展了相關(guān)研究工作[6]，以成都電子科大為代表的科研院校開展了相關(guān)工作，開發(fā)了“TIP快速大面積不接觸式電路故障檢測(cè)儀”等[7]，通過檢測(cè)電路板元器件的過冷過熱情況進(jìn)行故障的定位。

隨著裝備功能電路制造工藝的發(fā)展，電路板發(fā)展呈現(xiàn)小型化、密集化、多層化等特點(diǎn)，裝備中電子元器件和電路集成度高且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，接觸式故障診斷方法受到了極大的限制[8]。裝備出現(xiàn)故障后，傳統(tǒng)的接觸式故障診斷需要大量人力、精力、時(shí)間，因此研究開發(fā)利用紅外熱像信息對(duì)電路板進(jìn)行非接觸式故障診斷的方法越來受到了重視[6]。

將紅外成像技術(shù)用于裝備功能組件的故障掃描和識(shí)別，可以實(shí)現(xiàn)在非接觸測(cè)量條件下的故障快速定位和失效分析。將紅外檢測(cè)所隔離出來的故障件，再交由下一級(jí)維修單位通過傳統(tǒng)的檢測(cè)儀器和檢測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量和深度測(cè)試?；诩t外成像的電路板故障診斷設(shè)備對(duì)提高裝備維修安全性、快速性、靈活性，精簡(jiǎn)維護(hù)保障裝備種類，降低維修保障費(fèi)用，具有重大的軍事意義[9]。

傳統(tǒng)的電路板故障檢測(cè)基本由人工完成，工人精力有限，檢測(cè)容易出現(xiàn)失誤、漏檢等問題[10]。紅外成像檢測(cè)方法則通過開發(fā)的軟件對(duì)采集的紅外成像數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，利用機(jī)器視覺學(xué)習(xí)、模式識(shí)別等算法綜合整理得到一套智能故障診斷分析軟件，其工作原理為軟件將紅外成像數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中模板數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，分析，診斷出結(jié)果，檢測(cè)流程簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，且檢測(cè)結(jié)果成功率高。隨著圖像處理、特征提取和機(jī)器深度學(xué)習(xí)等算法技術(shù)的越來越成熟，紅外成像故障檢測(cè)法比傳統(tǒng)接觸式檢測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)顯而易見,能夠摒棄人工造成的失誤、自動(dòng)化程度高、成功率高、效率高，因此紅外成像檢測(cè)方法在電路板故障檢測(cè)及維修方面的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛[11-12]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于紅外的電路板故障診斷系統(tǒng)基于開放式體系架構(gòu)，其架構(gòu)組成主要包括主流總線儀器單元、標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試信息接口、公共測(cè)試接口和通用測(cè)試接口等[20]，各個(gè)單元和接口配合相應(yīng)的輔助設(shè)備、測(cè)試工裝等可完成對(duì)被測(cè)對(duì)象的故障診斷，對(duì)象覆蓋數(shù)字、模擬以及數(shù)?；旌想娐钒?。基于紅外成像的電路板故障診斷設(shè)備功能框圖如圖1所示。

圖1 基于紅外的電路板故障診斷系統(tǒng)基于開放式體系架構(gòu)

電路板故障診斷硬件平臺(tái)主要由：控制計(jì)算機(jī)(含故障診斷軟件)、測(cè)量?jī)x器單元(各種信號(hào)激勵(lì)儀器、紅外熱像儀)、供配電單元、公共測(cè)試接口以及測(cè)試固定支架組成。

1)控制計(jì)算機(jī)：

各類測(cè)量?jī)x器通過控制計(jì)算機(jī)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，程控電源為電路板提供電源或激勵(lì)信號(hào)，測(cè)量?jī)x器單元按照預(yù)設(shè)測(cè)試步驟對(duì)，根據(jù)紅外成像圖像信息分析電路板上不同位置的元件的溫度信息，進(jìn)而對(duì)電路板整體進(jìn)行診斷、推理、分析出故障點(diǎn)[13]。

2)測(cè)量?jī)x器單元：

測(cè)量?jī)x器單元采用通用總線儀器構(gòu)建，用于產(chǎn)生測(cè)試激勵(lì)信號(hào)，形成測(cè)量通道等。依據(jù)虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)(VISA)標(biāo)準(zhǔn)制定總線的開放式模塊化結(jié)構(gòu)方案，電路板紅外故障診斷系統(tǒng)軟件采用接口標(biāo)準(zhǔn)化、硬件模塊化的設(shè)計(jì)，為系統(tǒng)維護(hù)、更新和升級(jí)提供方便。

3)公共測(cè)試接口及信號(hào)分配單元：

公共測(cè)試接口及信號(hào)分配單元用于系統(tǒng)中資源分配轉(zhuǎn)接、信號(hào)集中互聯(lián)與被測(cè)對(duì)象連接[14]。公共測(cè)試接口具有可變規(guī)模的特點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)信號(hào)接口裝置電氣和機(jī)械連接標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，滿足電路板測(cè)試流程對(duì)機(jī)械電氣及資源分配描述方面的要求。

4)供配電單元：

供配電單元包括供配電模塊、程控電源。其作用是保持平臺(tái)系統(tǒng)、各單元和儀器模塊正確供配電；為被測(cè)對(duì)象測(cè)試維修提供必要的電源激勵(lì)。

5)自檢適配器單元：

自檢適配器用于故障診斷設(shè)備功能自檢和自維護(hù)。自檢適配器使用故障診斷設(shè)備的全部測(cè)試資源，完成系統(tǒng)的自動(dòng)化檢測(cè)和校準(zhǔn)，其功能設(shè)計(jì)具有一定覆蓋性及可擴(kuò)展性，可覆蓋重要測(cè)試資源的檢測(cè)和校準(zhǔn)。

6)軟件平臺(tái)功能組成：

故障診斷軟件平臺(tái)遵循通用軟件平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)，按照操作和使用的用戶進(jìn)行設(shè)計(jì)劃分，分為開發(fā)平臺(tái)、運(yùn)行平臺(tái)。

開發(fā)平臺(tái)主要對(duì)測(cè)試診斷信號(hào)、故障診斷系統(tǒng)資源、故障診斷策略(TPS)開發(fā)與管理，為開展具體的故障診斷進(jìn)行前期準(zhǔn)備；運(yùn)行平臺(tái)是整個(gè)診斷軟件平臺(tái)的核心，主要包括熱像采集，圖像處理，特征提取和故障識(shí)別診斷功能模塊。根據(jù)故障診斷流程的描述和配置信息，引用相應(yīng)的圖庫資源，驅(qū)動(dòng)紅外熱像儀和激勵(lì)資源，根據(jù)激勵(lì)-響應(yīng)關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)電路板的診斷并生成相應(yīng)的診斷結(jié)果。

1.2 電路板故障診斷原理

電路板故障診斷利用差分熱圖方法，將電路板正常工作狀態(tài)下的熱圖與待測(cè)電路板的熱圖做差分運(yùn)算，計(jì)算溫度插值快速判定電路板的狀態(tài)[19]。

首先獲取電路板正常工作狀態(tài)下的圖像A(x,y)，然后獲取待測(cè)電路板的圖像B(x,y)，然后獲取A和B之間的差值為D(x,y):

D1(x,y) = (A(x,y)-BH(x,y))*α

(1)

D2(x,y) = (A(x,y)-B(x,y))*β

(2)

α和β表示加權(quán)因子:

D(x,y)=D1(x,y) +D2(x,y)

(3)

在差分圖像中，元器件顏色最亮的，可能存在故障。如圖2中(a)為檢測(cè)熱圖，(b)為差分熱圖，且在(b)圖中右上方的元器件最亮，可能存在異常，因此判定改元器件存在故障。

圖2 電路板熱圖與差分圖像

2 電路板故障檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

基于紅外的電路板故障檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由雙光相機(jī)、測(cè)量?jī)x器單元、供電控制、工業(yè)計(jì)算機(jī)等構(gòu)成.雙光相機(jī)(紅外與可見光)采用非制冷焦平面探測(cè)器配合先進(jìn)的圖像處理算法，輸出高質(zhì)量、高靈敏度的紅外圖像，通過雙光相機(jī)采集電路板的紅外熱圖像，根據(jù)電路板的發(fā)熱情況定位發(fā)熱異常故障部位[16]；控制計(jì)算機(jī)通過計(jì)算機(jī)總線對(duì)程控電源儀器、數(shù)字信號(hào)模塊以及模擬信號(hào)模塊進(jìn)行控制并通信數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。供配電單元包括供配電模塊、程控電源，其作用是保持平臺(tái)系統(tǒng)、各單元和儀器模塊正確供配電，為被測(cè)對(duì)象測(cè)試維修提供必要的電源激勵(lì)。

檢測(cè)系統(tǒng)正常啟動(dòng)后，打開系統(tǒng)軟件，人工調(diào)整箱體內(nèi)電路板支架使其在紅外熱成像儀的視場(chǎng)范圍內(nèi)，將電路板放在的固定支架上連接電路板供配電單元和測(cè)量?jī)x器單元，紅外熱成像儀實(shí)時(shí)圖像采集，軟件根據(jù)圖片信息進(jìn)行圖像分析處理，根據(jù)分析結(jié)果定位故障元件并在軟件界面將做標(biāo)記故障元件圖像顯示出來。

在系統(tǒng)硬件的支持下，軟件系統(tǒng)將有序調(diào)度各個(gè)模塊。開啟PC操作系統(tǒng)并啟動(dòng)程序時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)先進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài)，在此期間，系統(tǒng)前端顯示啟動(dòng)界面，后端依次對(duì)系統(tǒng)軟件、硬件進(jìn)行初始化。初始化過程依次涵蓋系統(tǒng)參數(shù)、用戶參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)等。其中，系統(tǒng)參數(shù)和用戶參數(shù)從本地配置文件中讀取并解析，然后將根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)、用戶參數(shù)更新運(yùn)行參數(shù)中的部 分?jǐn)?shù)值。系統(tǒng)正常啟動(dòng)后，設(shè)備操作人員可以根據(jù)待檢測(cè)的電路板實(shí)物特征對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改，然后依次執(zhí)行模板提取(即標(biāo)準(zhǔn)板提取)和故障檢測(cè)。最后，在拼接后的電路板整圖上標(biāo)記所有故障，然后存儲(chǔ)標(biāo)記有故障的電路板整圖，接著存儲(chǔ)所有故障小圖、故障信息等內(nèi)容。

如圖3所示，本系統(tǒng)對(duì)待測(cè)電路板進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候，首先要導(dǎo)入標(biāo)準(zhǔn)模型文件，用于對(duì)待測(cè)電路板的定位和配準(zhǔn)[13，17]。

圖3 系統(tǒng)流程

人工將電路板放入電路板夾具平臺(tái)上，用戶根據(jù)電路板的工作特性進(jìn)行供電流程及參數(shù)設(shè)置，紅外相機(jī)和可見光相機(jī)采集工作狀態(tài)下的電路板圖像信息，并對(duì)采集的電路板圖像進(jìn)行預(yù)處理。電路板工作狀態(tài)下的熱像顯示到屏幕上，并結(jié)合電路板故障類型進(jìn)行故障診斷與分析，得到故障診斷結(jié)果，并通過多種圖像融合配準(zhǔn)，在可見光圖像中顯示故障元器件。同一種型號(hào)電路板采用相同的參數(shù)，第一次檢測(cè)時(shí)將該類型電路板的參數(shù)以文件形式保存，多次檢測(cè)同類型電路板時(shí)直接打開該參數(shù)文件即可進(jìn)行檢測(cè)[15]。

圖4 軟件工作流程

2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程

檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備操控人員通過人機(jī)交互界面對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作，人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)原則：滿足功能要求、界面簡(jiǎn)潔、操作便捷。根據(jù)人機(jī)交互設(shè)計(jì)原則，對(duì)后臺(tái)功能模塊的相互協(xié)作調(diào)度關(guān)系進(jìn)行簡(jiǎn)要說明。

檢測(cè)子系統(tǒng)工作界面設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)檢測(cè)子系統(tǒng)的工作界面主要包含：系統(tǒng)啟動(dòng)界面、工作主界面、閾值設(shè)置界面、配準(zhǔn)模式界面、缺陷檢測(cè)界面、元件識(shí)別界面等。閾值設(shè)置功能用于設(shè)置元器件的溫度閾值，當(dāng)溫度超過該閾值時(shí)，判定元器件是故障元器件，并在可見光圖像中定位顯示該元器件。配準(zhǔn)模式界面用于選擇使用哪種算法進(jìn)行電路板故障檢測(cè)。缺陷檢測(cè)界面顯示電路板檢測(cè)完成后的缺陷故障及缺陷故障的所在位置。元器件識(shí)別功能用于顯示電路板元件的類型分類等情況。設(shè)備啟動(dòng)后，點(diǎn)擊檢測(cè)系統(tǒng)可執(zhí)行程序啟動(dòng)系統(tǒng)，檢測(cè)系統(tǒng)顯示登陸界面，啟動(dòng)完成系統(tǒng)進(jìn)入主界面，點(diǎn)擊操作主界面按鈕可跳轉(zhuǎn)到設(shè)置界面、配準(zhǔn)模式界面、缺陷檢測(cè)界面[16]。

1)主界面：

系統(tǒng)穩(wěn)定啟動(dòng)后或結(jié)束后，系統(tǒng)顯示主界面，通過該界面選擇圖標(biāo)選項(xiàng)進(jìn)入閾值設(shè)置界面、配準(zhǔn)模式界面、缺陷檢測(cè)界面等頁面，或通過點(diǎn)擊退出圖標(biāo)退出系統(tǒng)。

2)閾值設(shè)置界面：

溫度閾值設(shè)置是電路板故障檢測(cè)的判定條件之一，正常情況下同種型號(hào)的電路板只需執(zhí)行一次閾值參數(shù)，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)相機(jī)拍攝采集圖像，系統(tǒng)根據(jù)相應(yīng)圖像處理算法依次處理拍攝圖片。閾值設(shè)置界面的功能：顯示溫度閾值及人工操作接口，顯示當(dāng)前閾值的設(shè)置數(shù)值。

3)缺陷檢測(cè)界面：

缺陷檢測(cè)界面功能是顯示電路板分析后的檢測(cè)結(jié)果。首先通過相機(jī)采集紅外熱像和可見光圖像，經(jīng)過圖像預(yù)處理之后，使用配準(zhǔn)模式下的配準(zhǔn)算法將待測(cè)電路板圖像與模型庫中的標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，從而得到電路板的缺陷情況。

4)配準(zhǔn)模式設(shè)置界面：

檢測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置界面分為兩個(gè)部分：系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面和用戶參數(shù)設(shè)置界面。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面其主要功能是進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)檢查并將檢查結(jié)果顯示出來。點(diǎn)擊系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面的系統(tǒng)自檢功能鍵，界面將會(huì)顯示設(shè)置的參數(shù)、相機(jī)或運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)或工作狀態(tài)。用戶參數(shù)設(shè)置界面其功能顯示或修改用戶參數(shù)，如電路板的尺寸、定位坐標(biāo)確定、模板相關(guān)參數(shù)等。通過參數(shù)設(shè)置界面更新、保存參數(shù)、操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作、相機(jī)初始化、顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)。

5)元器件識(shí)別界面：

元器件識(shí)別功能界面用于顯示元器件識(shí)別的結(jié)果，元器件識(shí)別通過采集被測(cè)電路板圖像，經(jīng)過圖像預(yù)處理，圖像算法識(shí)別與分析后，分析元器件的類別、數(shù)量等，用于檢測(cè)電路板是否缺少元器件而造成故障。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 圖像采集功能

圖像的采集需要光源、相機(jī)之間相互配合來完成。系統(tǒng)根據(jù)已設(shè)置的電路板的相關(guān)參數(shù)和系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置參數(shù)通過相機(jī)拍照來獲取電路裸板表面的圖像，圖像數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)在系統(tǒng)指定的文件夾下。在圖像采集過程中相機(jī)位置固定不變，移動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)電路板固定平臺(tái)按照預(yù)設(shè)軌跡進(jìn)行移動(dòng)，同時(shí)相機(jī)進(jìn)行圖像采集。軟件開發(fā)中針對(duì)相機(jī)的控制函數(shù)包含初始化函數(shù)、圖像拍攝函數(shù)、相機(jī)內(nèi)部參數(shù)設(shè)置、相機(jī)通信斷開與連接等接口函數(shù)，函數(shù)接口調(diào)用與由相機(jī)控制線程進(jìn)行統(tǒng)一管理執(zhí)行。

3.2 配準(zhǔn)功能

基于白光和紅外光的電路板工作狀態(tài)下的故障智能檢測(cè)系統(tǒng)中，需要將電路板裸板白光圖像與帶電電路板的紅外圖像進(jìn)行融合，圖像的配準(zhǔn)功能以融合圖像作為熱源辨識(shí)的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。電路板的紅外圖像和白光圖像由同一相機(jī)在不同控制方式、不同時(shí)間、不同光源環(huán)境下拍照取得的，兩種圖像空間位置和形態(tài)上存在著差異，所以在融合操作之前需要對(duì)兩種圖像進(jìn)行配準(zhǔn)操作，電路板的白光圖像和紅外圖像之間的融合需要算法處理，如平滑處理、形態(tài)學(xué)梯度處理等，因此圖像配準(zhǔn)和融合也是該系統(tǒng)的重要組成部分。

3.3 缺陷檢測(cè)功能

標(biāo)準(zhǔn)庫訓(xùn)練成功后，系統(tǒng)根據(jù)圖像處理算法，圖像配準(zhǔn)算法等，將缺陷、故障點(diǎn)顯示的系統(tǒng)畫面中。點(diǎn)擊缺陷檢測(cè)界面中元件匹配圖標(biāo)，系統(tǒng)通過相機(jī)逐行拍攝、逐行處理的運(yùn)行方式采集和處理圖像，系統(tǒng)根據(jù)模板匹配算法將拍攝圖像與模板圖像進(jìn)行比較，檢測(cè)電路板是否缺失電子元件、是否出現(xiàn)燒毀、擊穿、腐蝕等故障，系統(tǒng)將用線框標(biāo)示出故障點(diǎn)或缺失元件位置的圖像顯示到顯示界面中。

圖5 故障檢測(cè)定位

4 結(jié)束語

本項(xiàng)目旨在借助新興的深度學(xué)習(xí)和圖像處理技術(shù)來解決電路板缺陷自動(dòng)檢測(cè)問題，從研發(fā)到設(shè)備正式應(yīng)用是一個(gè)漫長學(xué)習(xí)、探索、研究、升級(jí)的過程，因此本系統(tǒng)針對(duì)目前電路板主要的缺陷檢測(cè)開展了相應(yīng)的軟硬件設(shè)計(jì)，由于電路板缺陷種類繁多，檢測(cè)問題難以一次性得到解決，后期還需要進(jìn)一步對(duì)電路板缺陷檢測(cè)種類進(jìn)行擴(kuò)展和提出針對(duì)性解決思路和方法。