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（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。為此,自動光學檢測（AOI）技術作為SMT組裝質(zhì)量檢測的主要技術手段,在SMT中應用越來越普遍。
    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，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為所設計的PCB板AOI檢測系統(tǒng)框圖。

視覺檢測系統(tǒng)硬件設計
    AOI系統(tǒng)究其本質(zhì)是一套基于機器視覺技術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。

USB通信接口電路
    本設計采用的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。

軟件程序設計

    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。在設備端：設備端驅(qū)動程序，也稱之為固件程序；設備端應用程序，主要完成數(shù)據(jù)搬運，以及與其他硬件設備的交互工作。在主機端：主機端驅(qū)動程序；主機端應用程序。由于USB是分層結(jié)構(gòu)，主機端驅(qū)動和設備端驅(qū)動完成對USB設備的枚舉和配置；而在主機端應用程序和設備端應用程序之間實現(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，所以在設備端的程序設計時，固件程序設計成一個復雜的中斷服務程序，用以主機對DSP作為USB設備配置、枚舉時的應答。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中斷服務程序?qū)χ鳈C做出回應；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，那么固件的編程也就完成了。
USB固件應用程序主函數(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（）;       //  關閉全局中斷
    INT_SetVec（0x03ff00）;  
 //  設置中斷向量表在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，其中斷服務程序是USB固件程序設計的難點和關鍵。

PC端的驅(qū)動程序及上位機應用程序
    PC端的驅(qū)動程序及上位機應用程序設計相對比較簡單，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，來完成應用程序和硬件程序信息的交互。訪問USB設備驅(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)直接給指定的設備驅(qū)動程序發(fā)送控制代碼，使得相應的設備執(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。

參考文獻：
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