大功率LED光學(xué)透鏡扣帽機飛行視覺系統(tǒng)

蘇文友，陳 安，胡躍明

（華南理工大學(xué) 精密電子制造裝備教育部工程研究中心，廣州 510640）

0 引言

近幾年，在科技部、信息產(chǎn)業(yè)部等的大力引導(dǎo)下，半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)人氣鼎盛，其中LED封裝業(yè)由于進(jìn)入門檻相對較低，吸引了大批資金，取得了可喜成績，新型LED器件不斷涌現(xiàn)，大功率LED器件封裝水平接近國際先進(jìn)水平并可量產(chǎn)。但一個不爭的事實是我國LED封裝業(yè)裝備依賴進(jìn)口，企業(yè)規(guī)模不夠大，封裝工藝研究投入不足，工藝水平總體不高。這種狀況嚴(yán)重制約了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1]。

目前，Luxeon支架式封裝作為大功率LED的基本封裝形式被廣泛采用，這種技術(shù)采用表面貼裝技術(shù)。在Luxeon式封裝中，芯片一般通過合金焊料固晶鍵合在金屬熱沉上，芯片的陽極和陰極通過金線鍵合到獨立的引線框架上。利用聚碳酸酯(Polycarbonate PC)制成的光學(xué)透鏡扣在LED框架頂部，在光學(xué)透鏡和LED框架之間用柔軟的硅膠材料進(jìn)行填充。這里需要解決的關(guān)鍵問題是，由于此處的光學(xué)透鏡外邊緣有注膠孔位和排氣孔位，需要將光學(xué)透鏡精確地扣在LED框架的對應(yīng)位置上。目前國內(nèi)大都利用人工或非視覺機械方式完成，效率低，精度不高。本文正是針對此情況進(jìn)行了光學(xué)透鏡扣帽機的飛行視覺系統(tǒng)設(shè)計，提高生產(chǎn)效率。光學(xué)透鏡及其安裝方式如圖1所示。

圖1 光學(xué)透鏡及其安裝方式

光學(xué)透鏡扣帽機的工作原理是吸嘴吸取振動盤送來的光學(xué)透鏡，然后送到視覺系統(tǒng)對吸取的光學(xué)透鏡底部掃描成像。由于使用合適的吸嘴保證了吸取的光學(xué)透鏡縱向傾斜角度α為0，所以只需考慮橫向旋轉(zhuǎn)角度β。視覺系統(tǒng)計算出光學(xué)透鏡橫向旋轉(zhuǎn)角度后向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出旋轉(zhuǎn)指令信號，執(zhí)行機構(gòu)最后將光學(xué)透鏡精確扣在LED框架的對應(yīng)位置上，完成扣帽工作。

本文針對當(dāng)前國內(nèi)LED封裝生產(chǎn)設(shè)備中對大功率LED光學(xué)透鏡的自動安裝需求，應(yīng)用高性價比的Blackfin DSP處理器設(shè)計了一套嵌入式高速高精度圖像處理系統(tǒng)。本系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)的PC視覺系統(tǒng)方案，應(yīng)用嵌入式技術(shù)單機實現(xiàn)了高速圖像采集和處理，多任務(wù)執(zhí)行和簡易人機交互的操作功能。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)主要由ADSP-BF533處理器，線陣CCD傳感器TCD1209D及相應(yīng)的驅(qū)動IC（如CPLD和CSP），SDRAM，F(xiàn)LASH，鍵盤串口通信，VGA控制器和DM9000A以太網(wǎng)控制器構(gòu)成，系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.1 Black fin DSP處理器應(yīng)用系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用了ADI公司Blackfin系列的ADSPBF533作為圖像采集和系統(tǒng)控制的主處理器。Blackfin系列處理器采用基于Intel和ADI聯(lián)合開發(fā)的微架構(gòu)（MSA），一種集成了微控制器（MCU）和DSP功能的高性能器件，兼?zhèn)湟粋€32位RISC型指令集和雙16位乘法累加器，使其集強大的信號處理性能和易用性于一身。BF533處理內(nèi)核能以最高600MHz的指令執(zhí)行速率運行，使系統(tǒng)具有1200MMAC的運算能力；還具有并行外設(shè)接口PPI，支持ITU-R 656 視頻數(shù)據(jù)格式，易于圖像數(shù)據(jù)的接收。

系統(tǒng)擴(kuò)展了一片16M×16Bit共32MB的PC133 SDRAM，保證系統(tǒng)的內(nèi)存使用要求。同時，系統(tǒng)采用8引腳SPI工作方式的FLASH用于程序存儲，比一般的NORFLASH體積小，以精簡電路設(shè)計。此外，系統(tǒng)還擴(kuò)展了一片NAND FLASH，可實現(xiàn)大容量任務(wù)信息記錄功能。

1.2 圖像采集單元

系統(tǒng)采用了THOSIBA公司的高速線陣CCD傳感器TCD1209D，其具有2048個有效像素單元，行掃描頻率可到10000Hz。本方案采用ALTERA公司的CPLD產(chǎn)生線陣CCD的驅(qū)動時序。同時，采用TI公司高性能的CSP（CCD Signal Processor，CCD信號處理器）芯片VSP1021對CCD信號進(jìn)行采樣。CSP包括三個主要模塊：相關(guān)雙采樣（CDS），可編程增益放大器（PGA）和高性能ADC。

相關(guān)雙采樣是根據(jù)CCD輸出信號和噪聲信號的特點而設(shè)計，它能消除復(fù)位噪聲的干擾，可以顯著改善信噪比，提高信號檢測精度。所采用的CSP提供了一個分辨率為10位、增益范圍為0dB－36dB的可編程增益放大器，增益系數(shù)可通過串口配置CSP相應(yīng)寄存器設(shè)置。同時，CSP內(nèi)含一個高速，低功耗的ADC，實現(xiàn)CCD模擬信號采樣。

這里CPLD同時完成線陣CCD的驅(qū)動時序和CSP的采樣時序，最后圖像數(shù)據(jù)通過BF533視頻接口接收。

1.2.1 CCD驅(qū)動程序設(shè)計

采用的線陣CCD需要6路驅(qū)動信號才能正常工作，分別是兩互為反相的時鐘信號CR1和CR2、信號輸出時鐘信號φ2B與CR2同頻、像元復(fù)位信號RS、像元鉗位信號CP和行轉(zhuǎn)移同步信號SH。各個驅(qū)動信號必須嚴(yán)格按照CCD相位時序要求，才能保證CCD的正常工作。CPLD通過計數(shù)分頻的方式可以方便的得出CCD的驅(qū)動信號。為提高信號輸出驅(qū)動，這些信號事先反相后再經(jīng)過反相器輸出。

同時CSP需要一些驅(qū)動信號，主要包括像素時鐘信號ADCCLK，相關(guān)雙采樣信號SR、SV，光學(xué)暗電平校正信號OBCLP，鉗位控制信號CLAMP。這些信號由同一片CPLD提供，按照時序要求和CCD的模擬輸入信號的有效信號（2048個像素）的時間段給出CSP的驅(qū)動信號，最后直接轉(zhuǎn)換為CCD有效數(shù)字信號。

得出的CCD有效數(shù)字信號送回CPLD，再由CPLD輸出行同步HSYNC，場同步VSYNC，像素時鐘PCLK和像素數(shù)據(jù)D7-D0，最后通過BF533的視頻接口PPI接收并以DMA的方式存儲在BF533的SDRAM中完成圖像采集。CCD和CSP的驅(qū)動時序如圖3所示。

1.2.2 CCD圖像采集參數(shù)設(shè)置

實際應(yīng)用中需要根據(jù)檢測要求調(diào)整CCD的行頻率，可通過增加光積分時間實現(xiàn)，即增加CCD輸出啞像元的個數(shù)。

圖3 CCD和CSP驅(qū)動時序圖

系統(tǒng)設(shè)置兩種方式調(diào)整CCD的行頻率。一種是內(nèi)觸發(fā)方式，通過寫入CPLD內(nèi)部相應(yīng)寄存器的值以調(diào)整光積分時間，調(diào)整范圍可達(dá)1K～10K。另一種是外觸發(fā)方式，可根據(jù)生產(chǎn)線中給出的速度同步信號進(jìn)行行頻率的自動調(diào)整，速度同步信號頻率不一定適合CCD行頻率，此時可對速度同步信號分頻以降低行頻率，分頻比的設(shè)置與設(shè)置光積分時間同理。

系統(tǒng)通過設(shè)置CSP的增益系數(shù)可調(diào)整CCD的曝光增益。所有參數(shù)設(shè)置采用模擬SPI的方式，利用DSP的三根IO線，分別用于時鐘線SCK、數(shù)據(jù)線SDA和片選線CE，通過發(fā)送地址 + 數(shù)據(jù)的形式，可分別對CPLD和CSP內(nèi)部寄存器的值進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)CE為高時，設(shè)置CPLD；CE為低時，設(shè)置CSP。只用三根IO線即可分別對兩片IC進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，減少了處理器IO資源的利用。

1.3 圖像顯示與控制

本視覺系統(tǒng)設(shè)計了一個簡單的人機交互界面，具有VGA輸出顯示和以太網(wǎng)通信功能，操作人員可以根據(jù)外接顯示器觀察拍攝的圖像效果并利用鍵盤與DSP串口通信進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，或通過網(wǎng)絡(luò)連接方式遠(yuǎn)程監(jiān)控和設(shè)置系統(tǒng)。

構(gòu)建的VGA控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，利用成本低的CPLD+SRAM+DAC的方案實現(xiàn)。該控制器具有標(biāo)準(zhǔn)的16bit 8080總線接口，DSP通過異步總線接口EBIU與VGA控制器鏈接。VGA控制器占用異步總線的一個片選單元，并映射到固定的一段內(nèi)存區(qū)域。DSP把要顯示的內(nèi)容寫入這段內(nèi)存區(qū)域，等到要顯示內(nèi)容的時候通過Memory DMA的方式把顯示數(shù)據(jù)發(fā)送到VGA控制器，由VGA控制器完成顯示器上界面的動態(tài)刷新。

系統(tǒng)以DM9000A作為以太網(wǎng)控制器。DM9000A單片集成了10/100M以太網(wǎng)MAC和PHY，帶硬件IP/TCP/UDP校驗和生成功能，具有較高的集成度和性能。通過網(wǎng)絡(luò)連接即可對系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和設(shè)置。由于其與DSP的鏈接方式與VGA控制器類似，這里不再詳細(xì)敘述。

由于采用了Memory DMA的方式發(fā)送數(shù)據(jù)，保證顯示器界面更新的同時，也節(jié)省了大量的CPU時間。

圖4 VGA控制器結(jié)構(gòu)框圖

2 軟件框架設(shè)計及處理算法設(shè)計

在嵌入式處理系統(tǒng)中，往往具有多個任務(wù)同時運行的情況，使用成熟的嵌入式操作系統(tǒng)管理各個任務(wù)有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實時性，還可降低開發(fā)難度。 由于Black fin處理器不帶內(nèi)存管理單元（MMU），不能運行像Linux之類的大型操作系統(tǒng)，如uC/OS II、uCLinux就比較適合本系統(tǒng)的應(yīng)用。這里我們采用資源占用較少的uC/OS II系統(tǒng)。

2.1 uC/OS II及uC/TCP-IP在Black fin上的應(yīng)用

uC/OS II操作系統(tǒng)的移值，一般是根據(jù)相應(yīng)處理器的硬件特性編寫os_cpu.h、os_cpu_c.c、os_cpu_a.asm這三個與CPU相關(guān)的文件，主要是改寫與硬件相關(guān)的任務(wù)堆棧操作、CPU中斷處理、任務(wù)切換等關(guān)鍵代碼。根據(jù)Micrium公司提供的參考移值例程，可以很方便地將uC/OS II操作系統(tǒng)移值到Blackfin BF533處理器中。這里采用較為成熟的2.86版本進(jìn)行開發(fā)，并設(shè)置時間片（TICK）為1ms，以滿足實時處理要求。

uC/TCP-IP作為專門為嵌入式實時系統(tǒng)設(shè)計的TCP/IP協(xié)議棧，可與uC/OS II無縫結(jié)合，無需進(jìn)行移植即可使用，大大縮短了開發(fā)周期,在8bit/16bit/32bit處理器上都有較高的運行效率，并且與BSD協(xié)議兼容，易于移植已有的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。

2.2 軟件總體架構(gòu)設(shè)計

本視覺系統(tǒng)在軟件部分主要由圖像采集、圖像處理、串口通信、人機界面和以太網(wǎng)控制等五個任務(wù)構(gòu)成，以實現(xiàn)系統(tǒng)的控制和處理工作。各個任務(wù)由uC/OS II操作系統(tǒng)統(tǒng)一管理，按照設(shè)定的優(yōu)先級進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。各任務(wù)之間可以并行運行，相互獨立。系統(tǒng)總體軟件架構(gòu)如圖5所示。

圖5 軟件總體架構(gòu)框圖

各個任務(wù)之間主要應(yīng)用uC/OS II系統(tǒng)的信號量通信機制進(jìn)行協(xié)調(diào)工作，能有效避免多個任務(wù)對同一段內(nèi)存區(qū)同時訪問，當(dāng)一個任務(wù)請求訪問內(nèi)存區(qū)而此內(nèi)存區(qū)被另一個任務(wù)占用時，則該任務(wù)將自動掛起，空出CPU運算資源以分給其他任務(wù)使用。

由于圖像采集和圖像處理需要頻繁訪問SDRAM的內(nèi)存數(shù)據(jù)，將采集和處理的圖像數(shù)據(jù)分別設(shè)置存放在SDRAM上不同的內(nèi)存BANK中，以減少SDRAM的訪問延遲。系統(tǒng)在處理當(dāng)前幀的同時也開始采集下一幀圖像，人機交互界面也會實時顯示采集的圖像。與此同時，系統(tǒng)也會實時響應(yīng)以太網(wǎng)和串口數(shù)據(jù)通信。

2.3 圖像處理算法

光學(xué)透鏡旋轉(zhuǎn)角度識別的圖像處理算法步驟：

1）圖像分割，由于目標(biāo)與背景對比度高，故采用全局閾值分割算法即可，如圖6（b）所示。

2）邊界提取，采用八相鄰域邊界跟蹤算法，如圖6（c）所示。

3）對邊界信息利用平均值求取中心坐標(biāo)并得到平均半徑。

4）提取距離超過平均半徑的邊界點，即光學(xué)透鏡兩端圓弧邊界，如圖6（d）所示。

5）對圓弧邊界采用文獻(xiàn)[6]方法，為提高精度，利用多組數(shù)據(jù)求平均的方法得到兩圓弧的圓心坐標(biāo)，如圖6（e）所示，其中位于中間十字為邊界的中心，長度為平均半徑，兩端十字為兩圓弧圓心位置。

6）根據(jù)兩圓心坐標(biāo)計算光學(xué)透鏡旋轉(zhuǎn)角度。

本算法利用邊界特征信息，對內(nèi)部光照不均、反光等非特征部分無關(guān)，穩(wěn)定性好，且邊界數(shù)據(jù)信息少，速度快。

圖6 圖像處理結(jié)果

3 實驗結(jié)果

實驗時視覺系統(tǒng)對高速運動的LED光學(xué)透鏡底部進(jìn)行圖像采集。為測試角度測量精度，采用文獻(xiàn)[7]提出的邊界特征匹配算法與本文算法作了比較，得到部分試驗數(shù)據(jù)如表1所示，其中A代表基于邊界特征匹配算法，B代表本文利用圓弧圓心坐標(biāo)測量角度的識別算法。

由上表可以看出，采用基于邊界特征匹配算法對于LED光學(xué)透鏡的角度測量，測量精度不夠高，且不穩(wěn)定。而本文提出的角度識別算法精度穩(wěn)定在0.2°以內(nèi)，已經(jīng)滿足了LED光學(xué)透鏡扣帽機對于角度測量的精度要求（0.2°），而且在速度和穩(wěn)定性方面比前者好。

表1 兩種算法的比較

4 結(jié)束語

本文針對當(dāng)前國內(nèi)LED封裝生產(chǎn)設(shè)備中對LED光學(xué)透鏡的自動安裝需求，應(yīng)用高性價比的Blackfin DSP處理器設(shè)計了一套嵌入式高速高精度圖像處理系統(tǒng)。本文通過精簡硬件結(jié)構(gòu)和合理的硬件選型以提高系統(tǒng)性能，并應(yīng)用嵌入式實時操作系統(tǒng)uC/OS II提高系統(tǒng)的實時性并實現(xiàn)多任務(wù)處理?，F(xiàn)場生產(chǎn)過程表明，本系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，而且體積小，成本低，已經(jīng)滿足實際LED封裝生產(chǎn)設(shè)備對LED光學(xué)透鏡的自動安裝要求，同時也促進(jìn)了LED自動安裝設(shè)備的國產(chǎn)化，提高國內(nèi)LED封裝生產(chǎn)行業(yè)的自動化水平。

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