PCB手動(dòng)外觀檢查機(jī)的總體結(jié)構(gòu)及原理解析

印制電路板外觀檢查機(jī)是PCB產(chǎn)品生產(chǎn)線上的重要質(zhì)檢設(shè)備，它基于光學(xué)圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺識(shí)別技術(shù)原理，主要功能是對(duì)PCB組件生產(chǎn)過程中遇到的外觀缺陷進(jìn)行檢測。中國是世界PCB生產(chǎn)大國，但不是強(qiáng)國，PCB生產(chǎn)鏈中的重要環(huán)節(jié)——PCB設(shè)備儀器不強(qiáng)是形成這種狀況的重要原因之一，為推進(jìn)中國PCB產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步，研制了較自動(dòng)外觀檢查機(jī)操作簡單、系統(tǒng)更加緊湊以及更高的性能價(jià)格比的手動(dòng)PCB外觀檢查機(jī)。手動(dòng)PCB外觀檢查機(jī)通過手動(dòng)放板后傳送裝置自動(dòng)傳送PCB，線陣CCD相機(jī)均勻掃描PCB板，獲得準(zhǔn)確圖像，再通過計(jì)算機(jī)對(duì)比處理已掃描的線路板并進(jìn)行判斷，然后分裝置根據(jù)計(jì)算機(jī)反饋的控制信號(hào)自動(dòng)分檢PCB（OK／NG）?？蓪?duì)異物，露銅，補(bǔ)油，劃傷，鍍金不良，字符錯(cuò)誤，綠油不均，焊盤不均勻，殘銅，漏印，顯影等外觀方面的瑕疵進(jìn)行精確檢測。由于圖像采集和處理的速度和效果將直接影響到PCB板檢測的準(zhǔn)確性和有效性，為此針對(duì)手動(dòng)外觀檢查機(jī)的特點(diǎn)詳細(xì)研究了圖像采集系統(tǒng)，采用C#在。net框架下對(duì)ActiveMil進(jìn)行二次開發(fā)并用GDI+圖形接口庫實(shí)現(xiàn)了圖像采集軟件系統(tǒng)的開發(fā)。

1 PCB外觀檢查機(jī)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

PCB在線檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其傳動(dòng)控制設(shè)備、電氣控制系統(tǒng)和攝像機(jī)必須在計(jì)算機(jī)的精確控制下，才能協(xié)調(diào)處理工作，完成復(fù)雜的檢測和分揀任務(wù)?；?a href="http://ttokpm.com/tags/機(jī)器視覺/" target="_blank">機(jī)器視覺的PCB在線檢測設(shè)備的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于機(jī)器視覺的PCB在線檢測設(shè)備的結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要分為運(yùn)動(dòng)控制、圖像采集和圖像處理部分。圖像采集部分是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分。攝像機(jī)和鏡頭在機(jī)器視覺中相當(dāng)于人的眼睛，負(fù)責(zé)拍攝對(duì)象的圖像。圖像采集部分是PCB檢測系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，也是檢測處理的基礎(chǔ)。PCB檢測系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)檢測的速度和精度，所以需要圖像采集部分及時(shí)、準(zhǔn)確地提供清晰的圖像。

2 圖像采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

1）圖像采集系統(tǒng)工作原理

當(dāng)系統(tǒng)上電后，MCU自動(dòng)檢測PCB載物臺(tái)是否復(fù)位到起點(diǎn)。此過程主要有兩個(gè)光纖傳感器和伺服電機(jī)完成。兩個(gè)傳感器分別安裝在四顧電機(jī)軌道的起點(diǎn)，即復(fù)位點(diǎn)和軌道端點(diǎn)。起復(fù)位，停止和電機(jī)反轉(zhuǎn)的功能。上電后MCU檢測到sesorl（復(fù)位點(diǎn)或起點(diǎn)處）無效，則調(diào)用電機(jī)反轉(zhuǎn)程序，使PCB載物臺(tái)回到起點(diǎn)位置，同時(shí)串口向PC機(jī)發(fā)送彩圖無效信號(hào)。然后MCU繼續(xù)判斷是否有按鍵按下，如果有按鍵按下，電機(jī)開始正轉(zhuǎn)，同時(shí)串口向PC機(jī)發(fā)送彩圖有效信號(hào)。此過程也就是PCB線掃描過程，完成圖像的采集。此過程電機(jī)經(jīng)歷三個(gè)階段：加速階段，勻速彩圖階段和減速停止階段。在電機(jī)正轉(zhuǎn)過程中，從七點(diǎn)開始，MCU通過特有的捕獲比較單元（CCU6）來對(duì)伺服電機(jī)編碼器反饋回來的脈沖計(jì)數(shù)，但計(jì)數(shù)值達(dá)到采圖有效數(shù)值時(shí)，串口向PC發(fā)送采圖開始信號(hào)，此時(shí)線陣CCD開始對(duì)PCB進(jìn)行圖像采集。在電機(jī)減速正轉(zhuǎn)到軌道端點(diǎn)的傳感器senor2處時(shí)，電機(jī)停止并馬上反轉(zhuǎn)回到起點(diǎn)處，此過程串口向PC機(jī)發(fā)送采圖無效信號(hào)。至此一個(gè)完整的檢測過程完整。MCU繼續(xù)檢測是否有按鍵按下來進(jìn)行下一次檢測。其中串口發(fā)送的采集有效和開始信號(hào)可以有效地避免誤觸發(fā)。CCD采集到的圖像信號(hào)由Camrelink接口送至圖像采集卡再由PC做進(jìn)一步的圖像處理。

圖2 PCB外觀檢查機(jī)圖像采集系統(tǒng)工作原理圖

2）傳感器與按鈕的接收與檢測

采用光耦隔離技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)電路間的光電隔離，即使輸入信號(hào)能無阻通過，且防止輸出信號(hào)反饋到輸入端，有利地抑制尖峰脈沖和各種噪聲的干擾，工作穩(wěn)定，無觸點(diǎn)，使用壽命長，傳輸效率高。為實(shí)時(shí)檢測到反饋的轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)速信號(hào)，本設(shè)計(jì)中采用了高速光耦A(yù)CPL-072L，傳輸速率可高達(dá)25 MBd，并且外圍電路簡單，如圖3所示。

圖3 ACPL-072L電路原理圖

本設(shè)計(jì)利用XC164CS外設(shè)中含有捕獲／比較單元CC25端口，將光耦傳輸信號(hào)作為外部中斷信號(hào)來觸發(fā)XC164，實(shí)現(xiàn)高速精確地傳感定位與按鈕檢測。

3）CCD攝像機(jī)系統(tǒng)

該手動(dòng)PCB外觀檢查機(jī)圖像采集系統(tǒng)采用NED彩虹系列的3CCD彩色線掃描相機(jī)NUCLi7300。該相機(jī)應(yīng)用廣泛，可以進(jìn)行以前黑白相機(jī)無法進(jìn)行的顏色差異檢測。外部接口為高速串行接口（Camera Link），可以很方便的與采集卡連接，也可以很方便的設(shè)置增益和偏移量，并具有修正RGB線延遲的功能。像素?cái)?shù)為7 300x3 Line，像素大小為10x10 μm，數(shù)據(jù)速率60MHz，最短掃描速率7.6kHz。圖4為本系統(tǒng)所用的連續(xù)線掃描速率模型時(shí)序圖。

圖4 CCD連續(xù)線掃描速率模型時(shí)序圖

系統(tǒng)中的圖像采集卡采用的是Matrox公司的SoliosXCL-SU74，該卡自帶處理器處理兩個(gè)獨(dú)立基模式或一個(gè)中模式Camera Link配置、66 MHz采集速率、64 MB緩沖器、可以采集面陣和線陣攝像頭，并具有多種采集模式。

目前市面上的影像檢測系統(tǒng)大多采用面掃描（Areascan）的攝影機(jī)進(jìn)行影像的采集及分析，但是由于該P(yáng)CB外觀檢查機(jī)檢查的PCB產(chǎn)品尺寸范圍較大——50 mmx50mm～330mmx250 mm，精度的要求達(dá)亞像素級(jí)，面掃描攝影機(jī)的分辨率及取像速度無法滿足這些要求，所以系統(tǒng)選取的是線掃描CCD。但是線掃描的檢測系統(tǒng)必須利用運(yùn)動(dòng)速度才能取得面積影相，即被測PCB運(yùn)動(dòng)到相機(jī)視場時(shí)同過硬件發(fā)送觸發(fā)信號(hào)給相機(jī)開始采集，故將采集卡的采集模式設(shè)置為硬件觸發(fā)同步采集，并分配最大內(nèi)存64 M。CCD與采集卡連接示意圖如圖5所示。

圖5 CCD與采集卡連接示意圖

3 軟件系統(tǒng)組成

該圖像采集系統(tǒng)的軟件采用的開發(fā)語言是C#，軟件開發(fā)包是AetiveMil9.0組件。

Matrox有著豐富的程序包-圖像處理和模式識(shí)別庫（MIL）和MIL的子庫MIL-LITE（基本圖像處理）。MIL是一個(gè)硬件獨(dú)立的32位圖像處理庫，利用了Intel的MMX的多媒體圖形加速功能對(duì)圖像處理程序庫進(jìn)行了優(yōu)化，可以處理二進(jìn)制、灰度或彩色圖像，它是獨(dú)立于硬件平臺(tái)的。并且對(duì)于快速Windows應(yīng)用程序開發(fā)，MIL捆綁了ActiveMIL。AetiveMIL是一個(gè)管理圖像采集，處理，分析，顯示和存檔的動(dòng)態(tài)控件的*。Aeti-veMIL完全集成到Microsoft Visual Basic、Visual C++和。net快速應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境中。該圖像采集系統(tǒng)選用的是AetiveMil控件庫，本控件庫可以實(shí)現(xiàn)所有MIL的所有功能，而且由于使用了ActiveX控件，所以很大程度上降低了程序設(shè)計(jì)的難度，縮短了軟件開發(fā)周期，提高了應(yīng)用系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.1 基于AclivrMil的圖像采集程序

對(duì)Matrox圖像采集進(jìn)行圖像采集二次開發(fā)的通用軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 Matrox卡開發(fā)原理圖

圖像采集程序的基本思路是：

1）打開通信通道，即確定一個(gè)應(yīng)用對(duì)象（Application），并對(duì)每個(gè)應(yīng)用對(duì)象創(chuàng)建一個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)對(duì)象（System）。

2）初始化硬件資源，即為每個(gè)系統(tǒng)對(duì)象分配數(shù)據(jù)緩存（Data Buffer）、數(shù)據(jù)采集器（Digitizer）和數(shù)據(jù)顯示（Display）對(duì)象。

3）啟動(dòng)采集過程，即將圖像讀入數(shù)據(jù)緩存，并將緩存賦值給數(shù)組，通過對(duì)數(shù)組的處理實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的處理，圖像數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)顯示相關(guān)聯(lián)后就可以通過顯示控件或窗體顯示預(yù)處理后的結(jié)果。

AetiveMIL可以讓開發(fā)者快速簡單地將一個(gè)圖像應(yīng)用程序和Windows用戶界面結(jié)合起來。應(yīng)用程序開發(fā)包含拖動(dòng)和滾動(dòng)工具放置以及加標(biāo)點(diǎn)和單擊配置，充分地減少代碼量。在。net framework3.0卡發(fā)環(huán)境下，安裝MIL開發(fā)包并正確配置后，Application、System、Image、ImageProcess、Display等組件將自動(dòng)添加到工具欄。

開發(fā)者將所需用的控件拖拽到圖像采集窗體上，一個(gè)Application，對(duì)應(yīng)于單鏡頭手動(dòng)外觀機(jī)，一個(gè)System，單窗體顯示——一個(gè)Disp-laly，為了提高CPU使用率應(yīng)啟用雙緩存異步采集——兩個(gè)ImageBuffer，及一個(gè)ImageProcess。

3.2 雙緩存異步采集思想

Matrox MeteorII圖像采集卡支持同步和異步兩種采集方式。

同步采集方式適用于連續(xù)采集顯示圖像而不做運(yùn)算處理的情況，這是因?yàn)橥讲杉绞较?，在每次采集圖像之前，CPU都向采集卡發(fā)送采集同步信號(hào)，然后等待采集結(jié)束，所以在采集過程中CPU由于得不到圖像數(shù)據(jù)而只能處于等待狀態(tài)。由于CCD僅采集一幀圖像就需要40 ms左右，這與人的視覺滯留大致相當(dāng)，所以在同步方式下無法保證采集和處理在40 ms內(nèi)完成，也就無法達(dá)到實(shí)時(shí)處理的要求。

異步采集方式下，采集工作和計(jì)算機(jī)對(duì)圖像的處理工作可以同時(shí)進(jìn)行，即當(dāng)CPU處理當(dāng)前幀的圖像時(shí)，CCD攝像機(jī)可以進(jìn)行下一幀的圖像采集。因此，在程序編制時(shí)，需要一個(gè)緩存機(jī)制用來緩存當(dāng)前已采集完成的圖像和緩存CCD攝像機(jī)將要采集或正在采集的圖像，從而實(shí)現(xiàn)圖像采集與處理的并行工作。顯然，利用這種雙緩存采集方法既可以降低對(duì)硬件系統(tǒng)的要求，還可以大大提高系統(tǒng)的處理速度，滿足實(shí)時(shí)處理的要求。

3.3 圖像采集代碼實(shí)現(xiàn)

3.4用GDI+實(shí)現(xiàn)圖像拼接

4 圖像采集實(shí)例

圖7是同步采集系統(tǒng)采集的PCB圖像，圖像寬為7 300，高為1 000，用時(shí)1.3 s，并且存在掉幀現(xiàn)象。圖8是雙緩存異步采集系統(tǒng)采集的PCB圖像，用時(shí)1.0 s，采集的圖像效果良好。

圖7 同步采集系統(tǒng)采集的PCB圖像

圖8 雙緩存異步采集系統(tǒng)采集的PCB圖像

結(jié)果表明，雙緩存異步采集系統(tǒng)的圖像采集速度顯著提高，并且由于利用ActiveX組件縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)的人力成本。且提高了圖像采集的質(zhì)量。采集一幅7300x10000的圖像并實(shí)時(shí)拼接僅需1.3 s，不存在掉幀現(xiàn)象，無損拼接拼接。計(jì)算圖像緩存區(qū)大小的公式為MemSize=ImageWidthxlmageHeightxFrames，實(shí)驗(yàn)還表明，采用同步采集方式采集7 300x1 000，每像素8 bits的1幀圖像大致需要6Gb的緩存空間；采用異步雙緩存采集方式采集相同分辨率的圖像只需要不到32 mb的緩存就可以連續(xù)不問斷地保存圖像。由此可見，使用異步雙緩存采集方式不僅可以節(jié)約系統(tǒng)資源，而且可以獲得更高效更好的采集效果。

5 結(jié)論

雙緩存技術(shù)近年在圖像顯示領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，該設(shè)計(jì)首次將雙緩存技術(shù)與異步采集結(jié)合應(yīng)用在PCB手動(dòng)外觀檢查機(jī)的圖像采集系統(tǒng)中。利用Matrox公司的SoliosXCL-SU74，使用異步雙緩存采集方法可以實(shí)現(xiàn)PCB外觀機(jī)的實(shí)時(shí)連續(xù)采集（本實(shí)驗(yàn)設(shè)為每秒采集10幀圖像，每幀圖像寬為7 300，高為1 000）的要求，并利用GDI+庫實(shí)現(xiàn)圖像實(shí)時(shí)無損拼接，該方案較傳統(tǒng)的圖像采集效率更高，對(duì)硬件的要求更低，更適合PCB外觀機(jī)等大數(shù)據(jù)的圖像采集系統(tǒng)。
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