基于圖像處理的PCB自動(dòng)檢測系統的設計與研究（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(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應用，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(cháng)期、正常、可靠的工作的決定因素。隨著(zhù)科技的發(fā)展，PCB產(chǎn)品的高密度、高復雜度、高性能發(fā)展趨勢不斷挑戰PCB板的質(zhì)量檢測問(wèn)題。傳統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(mǎn)足現代檢測需要，因此研究實(shí)現一種PCB缺陷的自動(dòng)檢測系統具有很大的學(xué)術(shù)意義和經(jīng)濟價(jià)值。國內外研究的PCB缺陷檢測技術(shù)中，AOI(Automatic OpticInspection自動(dòng)光學(xué)檢測)技術(shù)越來(lái)越受到重視，其中基于圖像處理的檢測方法也成為自動(dòng)光學(xué)檢測的主流。本文通過(guò)圖像處理技術(shù)研究了一種大視場(chǎng)、高精度、快速實(shí)時(shí)的PCB缺陷自動(dòng)檢測系統，設計了硬件結構和軟件算法流程。通過(guò)改進(jìn)的電機驅動(dòng)方式配合一鍵式自動(dòng)檢測軟件的設計，大大提高了系統的檢測速度，對結果分析模塊的缺陷識別算法的改進(jìn)提高了檢測結果的準確性。

1.系統結構

PCB缺陷自動(dòng)檢測系統主要由運動(dòng)控制模塊、圖像采集模塊、圖像處理模塊、結果分析模塊組成。系統工作過(guò)程如下：上位機控制步進(jìn)電機運動(dòng)，步進(jìn)電機帶動(dòng)二維平臺運動(dòng)，將CCD攝像機傳輸到待檢測PCB上方，對PCB進(jìn)行大場(chǎng)景圖像采集，采集的圖像經(jīng)過(guò)圖像采集卡送到上位機，上位機軟件對采集的圖像進(jìn)行拼接、圖像預處理，對處理的圖像進(jìn)行準確定位并校準，通過(guò)圖像分割、圖像形態(tài)學(xué)處理等，最后進(jìn)行模板匹配、圖像識別，得出缺陷檢測結果。系統設計包括硬件設計和軟件設計，系統軟硬件相互協(xié)調工作構成一個(gè)整體。

2.系統硬件設計

PCB缺陷自動(dòng)檢測系統的硬件設計主要包括二維運動(dòng)平臺、電機運動(dòng)控制板、電機驅動(dòng)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包括攝像機制式、光敏面尺寸、像素尺寸、分辨率、電子快門(mén)速度、同步系統的方式、最小照度、靈敏度、信噪比等。其中攝像機制式和是否在線(xiàn)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(gè)因素以及系統要求，在實(shí)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(diǎn)是數字面陣CCD逐行掃描，提供AV復合視頻接口和標準鏡頭接口，提供VC的SDK軟件開(kāi)發(fā)包，方便設計軟件處理模塊。

圖像采集卡，又稱(chēng)視頻捕捉卡，是視頻卡的一種類(lèi)型。圖像采集卡完成的主要功能是把攝像機的連續模擬視頻信號轉換成為離散的數字量。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(guò)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(guò)轉換后，存儲在卡上的幀緩存存儲器內，由計算機CPU通過(guò)計算機總線(xiàn)控制具體的圖像傳遞，最終存儲在計算機的內存或硬盤(pán)，用于圖像處理。本設計采用的圖像采集卡型號是： NV7004-N,將CCD攝像機模擬信號轉化為數字信號傳輸到上位機實(shí)時(shí)顯示，并能完成圖像的抓拍功能。

2.2 電機運動(dòng)控制器及精密二維運動(dòng)平臺

PCB缺陷自動(dòng)檢測系統的運動(dòng)控制器為自行設計的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(guò)RS-232串行通信接口與上位機進(jìn)行通信。通過(guò)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(jìn)電機驅動(dòng)板，以控制步進(jìn)電機的轉速、方向以及移動(dòng)距離。

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

2.3 電機驅動(dòng)

步進(jìn)電機的驅動(dòng)實(shí)際上就是通過(guò)控制步進(jìn)電機的各相勵磁繞組的電流，使步進(jìn)電機的內部磁場(chǎng)合成方向發(fā)生變化，從而使步進(jìn)電機轉動(dòng)起來(lái)。各相勵磁繞組的電流產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)矢量的幅值決定了步進(jìn)電機旋轉轉矩的大小，相鄰兩合成磁場(chǎng)矢量之間的夾角大小決定了步距角的大小。

這里介紹步進(jìn)電機兩個(gè)重要概念：齒距角θz和步距角θn.步進(jìn)電機齒距角是指步進(jìn)電機運行時(shí)兩相鄰穩定磁場(chǎng)之間的夾角。

步距角是指對應一個(gè)脈沖信號，步進(jìn)電機轉子轉過(guò)的角度位移量。步距角不僅與電機的齒數有關(guān)，還和電機的運行拍數有關(guān)。步進(jìn)電機的齒距角θz和步距角θn可表示為：

步進(jìn)電機的細分是基于步進(jìn)電機的各相繞組理想對稱(chēng)和距角特性嚴格正旋的基礎上，通過(guò)控制電動(dòng)機各相繞組中電流的大小和比例，使步距角減小到原來(lái)的幾分之一至幾百分之一，從而提高步進(jìn)電機的分辨率。以?xún)上嗖竭M(jìn)電機為例，若電機的齒數為50,運行拍數是單四拍方式時(shí)，則步距角為θ=360度(50*4)=1.8度(俗稱(chēng)整步)，八拍運行時(shí)步距角為θ=360度/(50*8)=0.9度(俗稱(chēng)半步0.八拍和四拍方式相比，步距角θn減小了一倍，實(shí)現了步距角的二細分。