基于圖像處理的PCB自動檢測系統(tǒng)的設(shè)計與研究（一）

電子產(chǎn)品的核心部分--印刷電路板(PCB)，是集成各種電子元器件的信息載體，在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，是電子產(chǎn)品中不可缺少的部分。PCB的質(zhì)量成了電子產(chǎn)品能否長期、正常、可靠的工作的決定因素。隨著科技的發(fā)展，PCB產(chǎn)品的高密度、高復(fù)雜度、高性能發(fā)展趨勢不斷挑戰(zhàn)PCB板的質(zhì)量檢測問題。傳統(tǒng)PCB缺陷檢測方式因接觸受限、高成本、低效率等因素，己經(jīng)逐漸不能滿足現(xiàn)代檢測需要，因此研究實現(xiàn)一種PCB缺陷的自動檢測系統(tǒng)具有很大的學(xué)術(shù)意義和經(jīng)濟價值。國內(nèi)外研究的PCB缺陷檢測技術(shù)中，AOI(Automatic OpticInspection自動光學(xué)檢測)技術(shù)越來越受到重視，其中基于圖像處理的檢測方法也成為自動光學(xué)檢測的主流。本文通過圖像處理技術(shù)研究了一種大視場、高精度、快速實時的PCB缺陷自動檢測系統(tǒng)，設(shè)計了硬件結(jié)構(gòu)和軟件算法流程。通過改進的電機驅(qū)動方式配合一鍵式自動檢測軟件的設(shè)計，大大提高了系統(tǒng)的檢測速度，對結(jié)果分析模塊的缺陷識別算法的改進提高了檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PCB缺陷自動檢測系統(tǒng)主要由運動控制模塊、圖像采集模塊、圖像處理模塊、結(jié)果分析模塊組成。系統(tǒng)工作過程如下：上位機控制步進電機運動，步進電機帶動二維平臺運動，將CCD攝像機傳輸?shù)酱龣z測PCB上方，對PCB進行大場景圖像采集，采集的圖像經(jīng)過圖像采集卡送到上位機，上位機軟件對采集的圖像進行拼接、圖像預(yù)處理，對處理的圖像進行準(zhǔn)確定位并校準(zhǔn)，通過圖像分割、圖像形態(tài)學(xué)處理等，最后進行模板匹配、圖像識別，得出缺陷檢測結(jié)果。系統(tǒng)設(shè)計包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，系統(tǒng)軟硬件相互協(xié)調(diào)工作構(gòu)成一個整體。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計

PCB缺陷自動檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括二維運動平臺、電機運動控制板、電機驅(qū)動板、CCD攝像機、圖像采集卡、PC等。

2.1 CCD攝像機和圖像采集卡

CCD攝像機的主要特性參數(shù)包括攝像機制式、光敏面尺寸、像素尺寸、分辨率、電子快門速度、同步系統(tǒng)的方式、最小照度、靈敏度、信噪比等。其中攝像機制式和是否在線檢測決定了圖像采集卡的采樣頻率，光敏面尺寸、像素尺寸、分辨率以及成像透鏡系統(tǒng)的放大率的平衡選擇取決于測量范圍和測量精度?？紤]到以上各個因素以及系統(tǒng)要求，在實驗中采用的是廣州視安公司的槍式攝像機，該攝像機的特點是數(shù)字面陣CCD逐行掃描，提供AV復(fù)合視頻接口和標(biāo)準(zhǔn)鏡頭接口，提供VC的SDK軟件開發(fā)包，方便設(shè)計軟件處理模塊。

圖像采集卡，又稱視頻捕捉卡，是視頻卡的一種類型。圖像采集卡完成的主要功能是把攝像機的連續(xù)模擬視頻信號轉(zhuǎn)換成為離散的數(shù)字量。其基本原理：從攝像機輸出的各種制式的視頻輸出信號，經(jīng)過輸入選擇模塊處理后，形成能被圖像采集卡識別的視頻信號。模擬視頻信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，存儲在卡上的幀緩存存儲器內(nèi)，由計算機CPU通過計算機總線控制具體的圖像傳遞，最終存儲在計算機的內(nèi)存或硬盤，用于圖像處理。本設(shè)計采用的圖像采集卡型號是： NV7004-N,將CCD攝像機模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳輸?shù)缴衔粰C實時顯示，并能完成圖像的抓拍功能。

2.2 電機運動控制器及精密二維運動平臺

PCB缺陷自動檢測系統(tǒng)的運動控制器為自行設(shè)計的MCU控制板，核心芯片為ATMEL公司生產(chǎn)的單片機AT89S52,控制板通過RS-232串行通信接口與上位機進行通信。通過操作人機交互界面對控制板發(fā)送命令，控制板輸出控制信號以及各種頻率的方波信號到步進電機驅(qū)動板，以控制步進電機的轉(zhuǎn)速、方向以及移動距離。

二維運動平臺由兩個日本SUS Corp公司生產(chǎn)的精密運動導(dǎo)軌搭建，運動導(dǎo)軌為滾珠絲桿型，非常精密，誤差很小。步進電機與運動導(dǎo)軌相連，從而帶動導(dǎo)軌的運動。步進電機為日本TAMAGAWA公司生產(chǎn)的兩相四線制混合式步進電機，該型號步進電機運行穩(wěn)定、噪聲小。

2.3 電機驅(qū)動

步進電機的驅(qū)動實際上就是通過控制步進電機的各相勵磁繞組的電流，使步進電機的內(nèi)部磁場合成方向發(fā)生變化，從而使步進電機轉(zhuǎn)動起來。各相勵磁繞組的電流產(chǎn)生的合成磁場矢量的幅值決定了步進電機旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的大小，相鄰兩合成磁場矢量之間的夾角大小決定了步距角的大小。

這里介紹步進電機兩個重要概念：齒距角θz和步距角θn.步進電機齒距角是指步進電機運行時兩相鄰穩(wěn)定磁場之間的夾角。

步距角是指對應(yīng)一個脈沖信號，步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度位移量。步距角不僅與電機的齒數(shù)有關(guān)，還和電機的運行拍數(shù)有關(guān)。步進電機的齒距角θz和步距角θn可表示為：

步進電機的細分是基于步進電機的各相繞組理想對稱和距角特性嚴格正旋的基礎(chǔ)上，通過控制電動機各相繞組中電流的大小和比例，使步距角減小到原來的幾分之一至幾百分之一，從而提高步進電機的分辨率。以兩相步進電機為例，若電機的齒數(shù)為50,運行拍數(shù)是單四拍方式時，則步距角為θ=360度(50*4)=1.8度(俗稱整步)，八拍運行時步距角為θ=360度/(50*8)=0.9度(俗稱半步0.八拍和四拍方式相比，步距角θn減小了一倍，實現(xiàn)了步距角的二細分。[!--empirenews.page--]

在拍數(shù)一定的情況下，齒數(shù)越多，步距角就越小，但由于受制作工藝的限制齒數(shù)不能做得很多，因此步進電機的步距角就不可能很小。改變步進電機的拍數(shù)也可以改變步距角，拍數(shù)是指完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)，或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)。當(dāng)步進電機的相數(shù)確定時，拍數(shù)也就確定。通過增加步進電機的齒數(shù)和相數(shù)來減小步距角，步距角減小的度數(shù)非常有限，很難滿足生產(chǎn)的要求。

步進電機細分驅(qū)動最常用的方法是電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)法。電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)法能夠使細分后的步距角均勻，輸出力矩恒定。具體方法是使m相繞組分別通以相位差為2π/m而幅值大小相等的正弦電流，則電流合成矢量或磁場矢量就會在空間上作旋轉(zhuǎn)運動，且合成矢量的幅值保持不變。如給四相混合式步進電機的四相繞組分別通以相位相差π/2,幅值相等的正弦波電流，則合成的電流矢量如圖所示。

為了盡可能得到圓形的合成磁場，使步距角變化均勻，各相繞組電流參考信號采用階梯狀正弦波形較為理想。以四相步進電機8細分為例，在每一相中插入7個穩(wěn)定的中間狀態(tài)，細分后各相電流是以1/4的步距上升或下降，則原來一步所轉(zhuǎn)過的角度將由8步完成，即可實現(xiàn)步距角的8細分。

細分數(shù)越多，電流變化越小，從而大大減少了電機的振蕩和噪音。采用階梯狀正弦波對電流進行細分時，階梯越多(即細分數(shù)越多)，波形就越接近正弦波，通入的階梯電流就越小，步距角也就越小。從而大大減少了步進電機運行時的丟步率，降低了步進電機運行時的噪音和顫動，也使步進電機運行更加穩(wěn)定，更易于控制。