基于圖像處理的電路板表觀快速檢測系統(tǒng)的研究

梁曉鈺 李石林 從 浩 連芯玉 樓冠廷

（合肥工業(yè)大學，合肥230009）

印刷電路板布線要求嚴格，必須確保電路板布線的線寬、線間距等達到要求，才能保證電路板的質量。越早識別電路板的缺陷，越早減少不合格PCB的數(shù)量，才能提高最終產(chǎn)品的合格率，并通過減少產(chǎn)品返廠數(shù)量和降低產(chǎn)品報廢率，以降低生產(chǎn)成本[1]?，F(xiàn)在常用的檢測方法有人工測試、電測試和光學測試[2]。但是，大多數(shù)檢測方法的實現(xiàn)需外接計算機，其便攜性低、耗時長，本文所闡述的檢測系統(tǒng)主要功能的實現(xiàn)全部依靠硬件，其便攜性高、反應速度快，具有廣泛的應用價值，相比較其他檢測方法，其在檢測準確率和可靠性方面有很大的提高，是對智能化的電路板檢測手段的有益探索。

1 系統(tǒng)總體設計

本文所研究的檢測主系統(tǒng)能夠實現(xiàn)電路板表面布線圖的成像與錯誤檢測、實現(xiàn)觸摸屏上的人機交互。該檢測系統(tǒng)功能實現(xiàn)如圖1所示，系統(tǒng)上電后，觸摸屏端由使用者發(fā)送運行指令，DsP芯片主控，被控步進電機帶動的XYZ方向導軌運動，被放置在載物臺上的電路板運動到合適位置，Z向移動可自動調焦的OV5640模塊最佳的圖像數(shù)據(jù)，對采集的圖像數(shù)據(jù)進行處理，結果送至ARM供TFT觸摸屏顯示。

圖1 檢測系統(tǒng)功能實現(xiàn)

2 系統(tǒng)機械部分的設計

系統(tǒng)機械部分主要包括導軌及其驅動和整個試驗臺的設計?？紤]到圖像信息獲取的特點，本文所設計的臺子參考了二維數(shù)控工作臺結構特點，在z方向增加一維導軌以實現(xiàn)圖像采集模塊的運動，以得到質量更高的圖像數(shù)據(jù)。

在以諸多工作臺的設計為參考的情況下，由于市面上有專業(yè)的直線導軌模組制造廠商，所以設計過程中，先選擇好整個工作臺所需的直線導軌模組，然后圍繞直線導軌模組進行工作臺建模進行設計[3-4]。為了能夠適應各種面積的電路板，本系統(tǒng)的水平面內XY方向導軌行程定為200mm，為了配合圖像傳感器的合適采樣高度，z向選用行程為100mm的導軌。工作臺的整體設計如圖2所示。

圖2 整體設計

為了實現(xiàn)上述建模，結合導軌模組各部分尺寸和各部分功能實現(xiàn)特點進行建模。在該系統(tǒng)中，導軌選用的是滾珠絲杠1605線性滑臺KR60，電機選用的是兩相57步進電機，步距角為1.8°/步，采用M542H兩相電機驅動器驅動，系統(tǒng)各部分實體零件和裝配精度為±0.5°。

3 系統(tǒng)DSP控制部分的設計

DsP控制是本系統(tǒng)的關鍵部分，該部分主要完成對步進電機的驅動、對CMOs圖像傳感器采集的圖像進行處理以及與ARM主控制模塊的通信等。

3.1 DSP核心板選取

本系統(tǒng)選用了TI公司的TMs320C6748型號的DsP芯片，TMs320C6000系列是TI公司1997年2月推向市場的剛性能DsP，綜合了目前DsP性價比高、功耗低等優(yōu)點[5-6]。其具有以下優(yōu)點：TMs320C674x為具有定點和浮點功能的DsP，在典型使用情況下總功耗僅為420MW，適用于便攜產(chǎn)品，廣泛應用于數(shù)字通信和圖像處理等領域；內部為哈佛結構，采用專門的乘法器以及流水線操作，采用自身的DsP指令，有可編程定時高速串口接口、多處理器連接接口等，并設置了專門的硬件數(shù)據(jù)指針的逆序尋址功能，處理速度快。

3.2 DSP內控制程序的實現(xiàn)

3.2.1 滑臺位置控制

根據(jù)設計要求，使用DsPTMs320C6748和驅動器驅動兩相J-5718HB步進電機來實現(xiàn)XY方向步進電機運動的驅動。預判拍攝是否完整，如若不完整，則驅動XY向直線滑臺運動相應的步數(shù)，將被采樣PCB板移至相機視野范圍內。其中，導軌兩端安裝有限位開關，當滑塊靠近導軌兩端時，該接近開關產(chǎn)生低電平，滑塊停止運動。

3.2.2 圖像處理算法流程

這里對實現(xiàn)電路板布線的圖像處理算法流程進行闡述，如圖3所示。

圖3 圖像處理算法流程

本系統(tǒng)實現(xiàn)電路板布線圖提取和比對所采取的方法如下。

（1）線路提取。將彩色圖像轉換為灰度圖，以減少后續(xù)的運算量；對灰度圖G進行線性灰度拉伸，最亮的為背景與一些白色的焊盤，中間灰度的為PCB的覆銅區(qū)域，最暗的部分為走線的邊界，通過灰度拉伸將走線突出出來；對圖像進行高斯濾波，濾除高頻噪聲；使用最大類間方差進行閾值分割，根據(jù)圖像的灰度特性，將圖像分為前景和背景兩個部分，當取最佳閾值時，兩部分之間的差別應該是最大的。

（2）模板匹配與對比。模板匹配使用的是序貫相似算法（ssDA），使二值化圖像與模板進行對齊[7-8]。序貫相似算法通過計算兩幅圖像的殘差和來度量兩幅圖像的相似度，當殘差和超過閾值時，滑動到下一個位置，以尋找最佳匹配點。將搜索圖與二值化的圖像通過點對齊，相減得到兩幅圖像的差影，再對差影圖像進行形態(tài)學開操作，去除圖像中較小的干擾區(qū)域，留下的大區(qū)域即為圖像的缺陷，對該區(qū)域進行紅框標記。

4 人機交互設計

本系統(tǒng)使用sT公司的sTM32F103作為人機交互功能實現(xiàn)的主控CPU，其內核為Cortex-M3，被廣泛應用于人機交互界面的設計，其控制可控觸摸TFT屏模塊實現(xiàn)人機交互功能，所使用的可控觸摸TFT屏模塊是由正點原子開發(fā)的7寸觸摸屏模塊，具有以下特點：高分辨率，刷屏達86幀/s，采用電容觸摸屏，支持5點同時觸摸，支持8/9/12/16位8080并口連接，支持16/18/24位色彩深度，支持背光亮度控制，亮度調節(jié)方便。

在該部分中，CPU驅動觸摸屏模塊從sD卡中讀取所需

顯示的圖像數(shù)據(jù)，觸摸屏上控件保持等待被觸摸后，執(zhí)行報錯和圖像顯示兩項命令。

5 結語

本系統(tǒng)利用單目相機采樣并采用圖像處理的辦法進行PCB板表觀缺陷檢測，其符合現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)檢測的發(fā)展趨勢。但是，在實際應用中，圖像匹配算法的改進以及光源的設計仍需進一步考慮。本文提出的系統(tǒng)采用ssAD算法能夠實現(xiàn)圖像匹配，但是實際情況下光源的控制、鏡頭的畸變等因素會造成取樣圖片質量不理想，使其難處理，因此需要進一步優(yōu)化圖像處理算法并加入光源的設計。這一問題也是本系統(tǒng)進一步研究和改進的方向。