基于USB通信的印制電路板AOI視覺檢測系統(tǒng)
引 言
隨著表面組裝技術(shù)(SMT)中所使用的印制電路板(PCB)導體圖形的細線化,SMT元器件的微型化,以及SMT組件的高密度組裝和快速組裝的發(fā)展趨勢,采用目檢或人工光學檢測的形式檢測SMT組裝質(zhì)量已不能適應(yīng)。為此,自動光學檢測(AOI)技術(shù)作為SMT組裝質(zhì)量檢測的主要技術(shù)手段,在SMT中應(yīng)用越來越普遍。
AOI,也稱為自動視覺檢測,是基于光學原理,綜合采用圖像分析、計算機和自動控制等多種技術(shù),對生產(chǎn)中遇到的缺陷進行檢測和處理,是較新的確認制造缺陷的方法。AOI系統(tǒng)按技術(shù)劃分為精密機械、電氣控制、視覺系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)4大部分組成,其核心是一套基于CMOS或CCD的圖像采集系統(tǒng)、交流伺服控制x、y工作臺及圖像處理軟件系統(tǒng)。圖1為所設(shè)計的PCB板AOI檢測系統(tǒng)框圖。
圖1 PCB板AOI檢測系統(tǒng)框圖
視覺檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計
AOI系統(tǒng)究其本質(zhì)是一套基于機器視覺技術(shù)的表面缺陷檢測系統(tǒng)。如何獲取高質(zhì)量的PCB表面圖像信息成為PCB光學檢測中首要解決的難題和重點,這是PCB表面缺陷檢測的關(guān)鍵。由于PCB缺陷的特殊性,AOI系統(tǒng)對視覺采集系統(tǒng)提出了很高的要求:高分辨率、高速率、實時檢測等。
視覺采集系統(tǒng)
針對AOI系統(tǒng)要求,選用基于DSP+CPLD的圖像采集處理模式。圖2為視覺采集系統(tǒng)框圖。系統(tǒng)通過DSP給CPLD發(fā)出一個采集命令,由CPLD控制CMOS圖像傳感器向FIFO的寫入圖像數(shù)據(jù),同時DSP通過DMA將圖像轉(zhuǎn)移至SDRAM中并進行圖像處理,在處理結(jié)束后,將處理的結(jié)果通過DSP內(nèi)置的USB接口傳給微機或其他設(shè)備。 I/O接口經(jīng)擴展后,將控制觸發(fā)信號交由工作臺及電氣控制系統(tǒng),完成系統(tǒng)采集控制的目的。
圖2 視覺采集系統(tǒng)框圖
USB通信接口電路
本設(shè)計采用的DSP芯片TMS320VC5509A集成了一個USB控制模塊(USB2.0 full speed),可以完成和USB主機系統(tǒng)之間的讀寫操作,具有無需外加邏輯電路、使用方便等優(yōu)點。使用TMS320VC5509A的片上USB模塊,完成DSP前端圖像采集系統(tǒng)與后臺PC機之間的通信硬件電路設(shè)計,簡化了圖像采集系統(tǒng)的硬件控制軟件和后臺PC機的驅(qū)動程序。
圖3 TMS320VC5509A的USB接口電路
圖3為DSP片內(nèi)USB模塊與PC機進行數(shù)據(jù)通信的硬件接口電路。其中左邊3個引腳PU、DP、DN是TMS320VC5509A的片上引腳,右邊的6個引腳組成了一個Mini USB接口,利用USB連接線就可以完成與PC機的連接。中間的阻容電路起加強輸入輸出可靠性的作用。
軟件程序設(shè)計
圖4 視覺系統(tǒng)中USB通信數(shù)據(jù)流
如圖4所示,本系統(tǒng)中USB通信的軟件程序主要由四部分組成。在設(shè)備端:設(shè)備端驅(qū)動程序,也稱之為固件程序;設(shè)備端應(yīng)用程序,主要完成數(shù)據(jù)搬運,以及與其他硬件設(shè)備的交互工作。在主機端:主機端驅(qū)動程序;主機端應(yīng)用程序。由于USB是分層結(jié)構(gòu),主機端驅(qū)動和設(shè)備端驅(qū)動完成對USB設(shè)備的枚舉和配置;而在主機端應(yīng)用程序和設(shè)備端應(yīng)用程序之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。
本系統(tǒng)中,DSP作為USB傳輸?shù)脑O(shè)備端,同時由于USB是嚴格的主從結(jié)構(gòu),所有的配置、枚舉及數(shù)據(jù)傳輸命令都必須由主機下達,所以在設(shè)備端的程序設(shè)計時,固件程序設(shè)計成一個復雜的中斷服務(wù)程序,用以主機對DSP作為USB設(shè)備配置、枚舉時的應(yīng)答。而原本在CCS中運行的DSP采集主程序也必須改寫成中斷程序,這樣才能完成對DSP固件程序和DSP采集程序的整合,使之整合到一個main()運行程序中,程序運行時,啟動對DSP的初始化,時鐘配置和USB模塊初始化;當主機發(fā)出采集圖像命令時,DSP程序進入采集中斷程序,執(zhí)行實時采集中斷程序;當主機發(fā)出USB模塊配置枚舉命令時,USB中斷服務(wù)程序?qū)χ鳈C做出回應(yīng);當主機發(fā)出傳輸圖像命令時,DSP程序進入數(shù)據(jù)搬運中斷程序。
DSP端的固件程序
USB固件程序的結(jié)構(gòu)一般是基于中斷處理的。主程序完成必要的初始化之后就等待USB中斷,接收到USB中斷后依據(jù)中斷的類型進入不同中斷服務(wù)程序。USB協(xié)議的主從模式?jīng)Q定了USB總線上傳輸?shù)陌l(fā)起和終止都是主機控制的,因此,固件編程中只要滿足了主機的要求,或者說對主機的請求給予了及時的響應(yīng),那么固件的編程也就完成了。
USB固件應(yīng)用程序主函數(shù)例程:
void main()
{
EnableAPLL( );
//使能USB模塊的模擬鎖相環(huán)
CSL_init( );
// DSP的CSL庫初始化函數(shù)
INT_DisableGlobal(); // 關(guān)閉全局中斷
INT_SetVec(0x03ff00);
// 設(shè)置中斷向量表在RAM中的地址
PLL_Init(48); // 將USB模塊
的時鐘調(diào)整到48MHz
Collect_main(); // CMOS圖像
采集程序
USBTest_Init(); // 初始化USB
模塊,初始化完畢打開全局中斷
while(1); // 循環(huán)等待狀態(tài)
}
端點0的控制傳輸是USB枚舉的默認傳輸端口,其中斷服務(wù)程序是USB固件程序設(shè)計的難點和關(guān)鍵。
PC端的驅(qū)動程序及上位機應(yīng)用程序
PC端的驅(qū)動程序及上位機應(yīng)用程序設(shè)計相對比較簡單,選用Driver Studio開發(fā)工具開發(fā)USB驅(qū)動程序,Driver Studio對設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)工具DDK中操作進行封裝,減少了開發(fā)時間,提高了效率。通過Driver Studio的工具Driver wizard生成的驅(qū)動程序為開發(fā)者提供了一個基本框架,使用者只需修改較少的或者基本不用代碼就可以實現(xiàn)相應(yīng)的功能了。
Windows XP中的上位機程序不能直接訪問底層的硬件,需要通過驅(qū)動程序進行(讀、寫、中斷等)操作。設(shè)備的驅(qū)動程序由I/O管理器管理和調(diào)動。上位機程序在用戶模式下通過Win32子系統(tǒng)對Win32API函數(shù)進行調(diào)用。Win32API函數(shù)通過I/O管理器向內(nèi)核模式下的驅(qū)動程序傳遞IRP。驅(qū)動程序通過處理IRP,來完成應(yīng)用程序和硬件程序信息的交互。訪問USB設(shè)備驅(qū)動的Win32API函數(shù):
(1) CreatFile 函數(shù)創(chuàng)建或打開文件,并返回一個可用于訪問文件的句柄。
(2) DeviceIoControl 函數(shù)直接給指定的設(shè)備驅(qū)動程序發(fā)送控制代碼,使得相應(yīng)的設(shè)備執(zhí)行指定操作。函數(shù)若成功,返回一個非0值,否則返回0。
(3) ReadFile 函數(shù)讀由文件指針表示的位置開始處的文件讀數(shù)據(jù),讀操作完成后,文件指針調(diào)整實際讀的字節(jié)數(shù)。函數(shù)若成功,返回一個非0值,否則返回0。
(4) CloseHandle 函數(shù)關(guān)閉打開的文件句柄。函數(shù)若成功,返回一個非0值,否則返回0。
實驗與結(jié)論
筆者設(shè)計實現(xiàn)了一種印制電路板AOI視覺檢測系統(tǒng),包括硬件電路和軟件程序。硬件結(jié)構(gòu)簡單,可以實現(xiàn)通信傳輸?shù)母叨燃苫瑐鬏斔俾蕽M足AOI檢測系統(tǒng)的實時性要求。圖5為實驗中采集到的PCB板圖像。
圖5 實驗中采集到的PCB板圖像
參考文獻:
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