PCB在線檢測設備的基本結構與工作原理解析

印制電路板外觀檢查機是PCB產品生產線上的重要質檢設備，它基于光學圖像處理和計算機視覺識別技術原理，主要功能是對PCB組件生產過程中遇到的外觀缺陷進行檢測。中國是世界PCB生產大國，但不是強國，PCB生產鏈中的重要環節——PCB設備儀器不強是形成這種狀況的重要原因之一，為推進中國PCB產業的發展與進步，研制了較自動外觀檢查機操作簡單、系統更加緊湊以及更高的性能價格比的手動PCB外觀檢查機。手動PCB外觀檢查機通過手動放板后傳送裝置自動傳送PCB，線陣CCD相機均勻掃描PCB板，獲得準確圖像，再通過計算機對比處理已掃描的線路板并進行判斷，然后分裝置根據計算機反饋的控制信號自動分檢PCB（OK/NG）?？蓪Ξ愇?，露銅，補油，劃傷，鍍金不良，字符錯誤，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板檢測的準確性和有效性，為此針對手動外觀檢查機的特點詳細研究了圖像采集系統，采用C#在。net框架下對ActiveMil進行二次開發并用GDI+圖形接口庫實現了圖像采集軟件系統的開發。

1 PCB外觀檢查機系統的總體結構

PCB在線檢測系統結構復雜，其傳動控制設備、電氣控制系統和攝像機必須在計算機的精確控制下，才能協調處理工作，完成復雜的檢測和分揀任務?；?a href="http://www.qd573.com/tags/機器視覺/" target="_blank">機器視覺的PCB在線檢測設備的結構如圖1所示。

圖1 基于機器視覺的PCB在線檢測設備的結構

系統主要分為運動控制、圖像采集和圖像處理部分。圖像采集部分是整個系統的重要組成部分。攝像機和鏡頭在機器視覺中相當于人的眼睛，負責拍攝對象的圖像。圖像采集部分是PCB檢測系統的重要環節，也是檢測處理的基礎。PCB檢測系統強調檢測的速度和精度，所以需要圖像采集部分及時、準確地提供清晰的圖像。

2 圖像采集系統的硬件結構

1）圖像采集系統工作原理

當系統上電后，MCU自動檢測PCB載物臺是否復位到起點。此過程主要有兩個光纖傳感器和伺服電機完成。兩個傳感器分別安裝在四顧電機軌道的起點，即復位點和軌道端點。起復位，停止和電機反轉的功能。上電后MCU檢測到sesorl（復位點或起點處）無效，則調用電機反轉程序，使PCB載物臺回到起點位置，同時串口向PC機發送彩圖無效信號。然后MCU繼續判斷是否有按鍵按下，如果有按鍵按下，電機開始正轉，同時串口向PC機發送彩圖有效信號。此過程也就是PCB線掃描過程，完成圖像的采集。此過程電機經歷三個階段：加速階段，勻速彩圖階段和減速停止階段。在電機正轉過程中，從七點開始，MCU通過特有的捕獲比較單元（CCU6）來對伺服電機編碼器反饋回來的脈沖計數，但計數值達到采圖有效數值時，串口向PC發送采圖開始信號，此時線陣CCD開始對PCB進行圖像采集。在電機減速正轉到軌道端點的傳感器senor2處時，電機停止并馬上反轉回到起點處，此過程串口向PC機發送采圖無效信號。至此一個完整的檢測過程完整。MCU繼續檢測是否有按鍵按下來進行下一次檢測。其中串口發送的采集有效和開始信號可以有效地避免誤觸發。CCD采集到的圖像信號由CamreLink接口送至圖像采集卡再由PC做進一步的圖像處理。

圖2 PCB外觀檢查機圖像采集系統工作原理圖

2）傳感器與按鈕的接收與檢測

采用光耦隔離技術，可以實現電路間的光電隔離，即使輸入信號能無阻通過，且防止輸出信號反饋到輸入端，有利地抑制尖峰脈沖和各種噪聲的干擾，工作穩定，無觸點，使用壽命長，傳輸效率高。為實時檢測到反饋的轉鏡轉速信號，本設計中采用了高速光耦ACPL-072L，傳輸速率可高達25 MBd，并且外圍電路簡單，如圖3所示。

圖3 ACPL-072L電路原理圖

本設計利用XC164CS外設中含有捕獲/比較單元CC25端口，將光耦傳輸信號作為外部中斷信號來觸發XC164，實現高速精確地傳感定位與按鈕檢測。

3）CCD攝像機系統

該手動PCB外觀檢查機圖像采集系統采用NED彩虹系列的3CCD彩色線掃描相機NUCLi7300。該相機應用廣泛，可以進行以前黑白相機無法進行的顏色差異檢測。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，也可以很方便的設置增益和偏移量，并具有修正RGB線延遲的功能。像素數為7 300x3 Line，像素大小為10x10 μm，數據速率60MHz，最短掃描速率7.6kHz。圖4為本系統所用的連續線掃描速率模型時序圖。

圖4 CCD連續線掃描速率模型時序圖

系統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獨立基模式或一個中模式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大多采用面掃描（Areascan）的攝影機進行影像的采集及分析，但是由于該PCB外觀檢查機檢查的PCB產品尺寸范圍較大——50 mmx50mm～330mmx250 mm，精度的要求達亞像素級，面掃描攝影機的分辨率及取像速度無法滿足這些要求，所以系統選取的是線掃描CCD。但是線掃描的檢測系統必須利用運動速度才能取得面積影相，即被測PCB運動到相機視場時同過硬件發送觸發信號給相機開始采集，故將采集卡的采集模式設置為硬件觸發同步采集，并分配最大內存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 軟件系統組成

該圖像采集系統的軟件采用的開發語言是C#，軟件開發包是AetiveMil9.0組件。

Matrox有著豐富的程序包-圖像處理和模式識別庫（MIL）和MIL的子庫MIL-LITE（基本圖像處理）。MIL是一個硬件獨立的32位圖像處理庫，利用了Intel的MMX的多媒體圖形加速功能對圖像處理程序庫進行了優化，可以處理二進制、灰度或彩色圖像，它是獨立于硬件平臺的。并且對于快速Windows應用程序開發，MIL捆綁了ActiveMIL。AetiveMIL是一個管理圖像采集，處理，分析，顯示和存檔的動態控件的*。Aeti-veMIL完全集成到Microsoft Visual Basic、Visual C++和。net快速應用程序開發環境中。該圖像采集系統選用的是AetiveMil控件庫，本控件庫可以實現所有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計的難度，縮短了軟件開發周期，提高了應用系統的穩定性。

3.1 基于AclivrMil的圖像采集程序

對Matrox圖像采集進行圖像采集二次開發的通用軟件結構如圖6所示。

圖6 Matrox卡開發原理圖

圖像采集程序的基本思路是：

1）打開通信通道，即確定一個應用對象（Application），并對每個應用對象創建一個或多個系統對象（System）。

2）初始化硬件資源，即為每個系統對象分配數據緩存（Data Buffer）、數據采集器（Digitizer）和數據顯示（Display）對象。

3）啟動采集過程，即將圖像讀入數據緩存，并將緩存賦值給數組，通過對數組的處理實現對圖像的處理，圖像數據與數據顯示相關聯后就可以通過顯示控件或窗體顯示預處理后的結果。

AetiveMIL可以讓開發者快速簡單地將一個圖像應用程序和Windows用戶界面結合起來。應用程序開發包含拖動和滾動工具放置以及加標點和單擊配置，充分地減少代碼量。在。net framework3.0卡發環境下，安裝MIL開發包并正確配置后，Application、System、Image、ImageProcess、Display等組件將自動添加到工具欄。

開發者將所需用的控件拖拽到圖像采集窗體上，一個Application，對應于單鏡頭手動外觀機，一個System，單窗體顯示——一個Disp-laly，為了提高CPU使用率應啟用雙緩存異步采集——兩個ImageBuffer，及一個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采集顯示圖像而不做運算處理的情況，這是因為同步采集方式下，在每次采集圖像之前，CPU都向采集卡發送采集同步信號，然后等待采集結束，所以在采集過程中CPU由于得不到圖像數據而只能處于等待狀態。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，所以在同步方式下無法保證采集和處理在40 ms內完成，也就無法達到實時處理的要求。

異步采集方式下，采集工作和計算機對圖像的處理工作可以同時進行，即當CPU處理當前幀的圖像時，CCD攝像機可以進行下一幀的圖像采集。因此，在程序編制時，需要一個緩存機制用來緩存當前已采集完成的圖像和緩存CCD攝像機將要采集或正在采集的圖像，從而實現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硬件系統的要求，還可以大大提高系統的處理速度，滿足實時處理的要求。

3.3 圖像采集代碼實現

3.4用GDI+實現圖像拼接

4 圖像采集實例

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

圖7 同步采集系統采集的PCB圖像

圖8 雙緩存異步采集系統采集的PCB圖像

結果表明，雙緩存異步采集系統的圖像采集速度顯著提高，并且由于利用ActiveX組件縮短了開發周期，降低了開發的人力成本。且提高了圖像采集的質量。采集一幅7300x10000的圖像并實時拼接僅需1.3 s，不存在掉幀現象，無損拼接拼接。計算圖像緩存區大小的公式為MemSize=ImageWidthxlmageHeightxFrames，實驗還表明，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約系統資源，而且可以獲得更高效更好的采集效果。

5 結論

雙緩存技術近年在圖像顯示領域得到廣泛應用，該設計首次將雙緩存技術與異步采集結合應用在PCB手動外觀檢查機的圖像采集系統中。利用Matrox公司的SoliosXCL-SU74，使用異步雙緩存采集方法可以實現PCB外觀機的實時連續采集（本實驗設為每秒采集10幀圖像，每幀圖像寬為7 300，高為1 000）的要求，并利用GDI+庫實現圖像實時無損拼接，該方案較傳統的圖像采集效率更高，對硬件的要求更低，更適合PCB外觀機等大數據的圖像采集系統。
責任編輯；zl