基于图像处理的PCB自动检测系统的设计与

【摘 要】研究一种高精度、大场景、快速实时的PCB缺陷自动光学检测系统,分别进行了硬件结构和软件系统的设计.该系统主要由二维运动平台、电机控制模块、图像采集模块、图像处理模块、结果分析模块组成.改进的步进电机驱动方式——细分驱动以及改进的图像识别算法保证了系统的准确率,一键式自动检测的设计提高了检测速度.实验结果证明,该系统能快速并准确的检测出PCB上的缺陷,有一定的实用和开发价值.

【关 键 词】PCB;细分驱动;自动光学检测(AOI);图像识别

电子产品的核心部分——印刷电路板(PCB),是集成各种电子元器件的信息载体,在各个领域得到了广泛的应用,是电子产品中不可缺少的部分.PCB的质量成了电子产品能否长期、正常、可靠的工作的决定因素[1].随着科技的发展,PCB产品的高密度、高复杂度、高性能发展趋势不断挑战PCB板的质量检测问题.传统PCB缺陷检测方式因接触受限、高成本、低效率等因素,己经逐渐不能满足现代检测需要,因此研究实现一种PCB缺陷的自动检测系统具有很大的学术意义和经济价值[2].国内外研究的PCB缺陷检测技术中,AOI(AutomaticOpticInspection自动光学检测)技术越来越受到重视,其中基于图像处理的检测方法也成为自动光学检测的主流.本文通过图像处理技术研究了一种大视场、高精度、快速实时的PCB缺陷自动检测系统,设计了硬件结构和软件算法流程.通过改进的电机驱动方式配合一键式自动检测软件的设计,大大提高了系统的检测速度,对结果分析模块的缺陷识别算法的改进提高了检测结果的准确性.

1.系统结构

PCB缺陷自动检测系统主要由运动控制模块、图像采集模块、图像处理模块、结果分析模块组成.系统工作过程如下:上位机控制步进电机运动,步进电机带动二维平台运动,将CCD摄像机传输到待检测PCB上方,对PCB进行大场景图像采集,采集的图像经过图像采集卡送到上位机,上位机软件对采集的图像进行拼接、图像预处理,对处理的图像进行准确定位并校准,通过图像分割、图像形态学处理等,最后进行模板匹配、图像识别,得出缺陷检测结果.系统设计包括硬件设计和软件设计,系统软硬件相互协调工作构成一个整体.

2.系统硬件设计

PCB缺陷自动检测系统的硬件设计主要包括二维运动平台、电机运动控制板、电机驱动板、CCD摄像机、图像采集卡、PC等,其结构如图1所示.

2.1CCD摄像机和图像采集卡

CCD摄像机的主要特性参数包括摄像机制式、光敏面尺寸、像素尺寸、分辨率、电子快门速度、同步系统的方式、最小照度、灵敏度、信噪比等.其中摄像机制式和是否在线检测决定了图像采集卡的采样频率,光敏面尺寸、像素尺寸、分辨率以及成像透镜系统的放大率的平衡选择取决于测量范围和测量精度[3].考虑到以上各个因素以及系统要求,在实验中采用的是广州视安公司的式摄像机,该摄像机的特点是数字面阵CCD逐行扫描,提供复合视频接口和标准镜头接口,提供VC的SDK软件开发包,方便设计软件处理模块.

图像采集卡,又称视频捕捉卡,是视频卡的一种类型.图像采集卡完成的主要功能是把摄像机的连续模拟视频信号转换成为离散的数字量.其基本原理:从摄像机输出的各种制式的视频输出信号,经过输入选择模块处理后,形成能被图像采集卡识别的视频信号.模拟视频信号经过转换后,存储在卡上的帧缓存存储器内,由计算机CPU通过计算机总线控制具体的图像传递,最终存储在计算机的内存或硬盘,用于图像处理[4].本设计采用的图像采集卡型号是:NV7004-N,将CCD摄像机模拟信号转化为数字信号传输到上位机实时显示,并能完成图像的抓拍功能.

2.2电机运动控制器及精密二维运动平台

PCB缺陷自动检测系统的运动控制器为自行设计的MCU控制板,核心芯片为ATMEL公司生产的单片机AT89S52,控制板通过RS-232串行通信接口与上位机进行通信.通过操作人机交互界面对控制板发送命令,控制板输出控制信号以及各种频率的方波信号到步进电机驱动板,以控制步进电机的转速、方向以及移动距离.

二维运动平台由两个日本SUSCorp公司生产的精密运动导轨搭建,运动导轨为滚珠丝杆型,非常精密,误差很小.步进电机与运动导轨相连,从而带动导轨的运动.步进电机为日本TAMAGAWA公司生产的两相四线制混合式步进电机,该型号步进电机运行稳定、噪声小.

2.3电机驱动

步进电机的驱动实际上就是通过控制步进电机的各相励磁绕组的电流,使步进电机的内部磁场合成方向发生变化,从而使步进电机转动起来.各相励磁绕组的电流产生的合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转转矩的大小,相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小[5].

在拍数一定的情况下,齿数越多,步距角就越小,但由于受制作工艺的限制齿数不能做得很多,因此步进电机的步距角就不可能很小.改变步进电机的拍数也可以改变步距角,拍数是指完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态,或指电机转过一个齿距角所需脉冲数.当步进电机的相数确定时,拍数也就确定.通过增加步进电机的齿数和相数来减小步距角,步距角减小的度数非常有限,很难满足生产的要求.

细分数越多,电流变化越小,从而大大减少了电机的振荡和噪音.采用阶梯状正弦波对电流进行细分时,阶梯越多(即细分数越多),波形就越接近正弦波,通入的阶梯电流就越小,步距角也就越小[6].从而大大减少了步进电机运行时的丢步率,降低了步进电机运行时的噪音和颤动,也使步进电机运行更加稳定,更易于控制.


3.系统软件设计

3.1系统算法流程

手动检测可以根据需要在采集图像时直接通过控制步进电机运动将CCD摄像头运动到待测PCB板的主要部位,在进行图像处理时也可以根据图像质量来选择与之相适应的图像处理算法来实现,使系统具有交互性.自动检测初始化设置参数后,可以一键实现缺陷检测得出检测结果,减少了操作复杂度,也大大提高了检测的速度,使系统具有自动化、操作简单、速度快等优点.本文结合二者于一体,使PCB缺陷自动检测系统更加优秀,更加实用.

3.2缺陷检测

当前印刷电路板缺陷检测方法主要分为参考比较法、非参考比较法和混合法三大类,参考比较法将被测图像和参考图像进行特征对特征的比较;非参考比较法不需要任何的参考图像,只是根据先前设计的规则标准来判断出是否有缺陷,如果不符合标准便认为此有缺陷;混合法是参考比较法和非参考比较法综合应用.本文主要使用参考比较法,通过检测PCB图像与标准图像进行对比分析,判断该PCB板是否有缺陷[7].

3.3缺陷识别

3.4结果分析

4.结论

本文基于计算机视觉和图像处理设计了一个印刷电路板(PCB)缺陷自动检测系统,并对其功能进行了验证,实验结果表明该系统界面友好,操作简单,检测方法简单,检测过程迅速,检测结果准确.该系统为PCB缺陷的检测提供了一个很好的解决方案,具有重要的应用价值.

娟,刘景林,王灿.两相混合式步进电机恒转矩细分驱动技术研究[J].微电机,2007,40(3):48-50.

[6]黄露.基于FPGA的步进电机控制系统设计与实现[D].重庆:重庆大学硕士论文,2011.

[7]齐立荣.基于图像处理的PCB缺陷自动光学检测系统的研究与实现[D].北京:北京邮电大学硕士论文,2010.

作者简介:

刘海(1987—),湖北黄冈人,硕士研究生,研究方向:电子设计自动化与测试.

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