（光学工程专业论文）pcb光电自动外观检查机控制系统设计及研究.pdf

0 匕0sr ! ，l ；- j iyllllfjflllflf7lllfllr113l115l1118fif粤 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：1 3 期：加细年 论文使用授权 罗月相 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：鲥垒羔 日期：o 年岁月却目 i - 一 1 摘要 摘要 p c b 光电自动外观检测机作为自动光电检测设备的一种，具有无接触、无损、 抗干扰能力强、检测速度快、测量精度高等优越性，在当今的p c b 检测中具有重 要作用。 本文从p c b 外观检测机的工作原理和控制系统功能需求出发，对控制系统的总 体设计方案进行讨论，确定了以英飞凌单片机为核心的控制系统。并首次把c a n 总线为通信总线运用在p c b 光电自动外观检测机中。设计了c a n 总线系统、步 进电机、伺服电机、各类传感器及各种开关等的控制电路，并运用d a v e 和k e i l 软件完成了相应的控制程序的设计，经联机调试，实现了单片机与上位机软件的 通信，使得上板、扫描以及分拣装置分别根据相应的请求完成对p c b 板的分拣操 作。本控制系统速度快、实时性强和稳定性高，大大提高了外观检测机的市场竞 争力。 关键词：p c b ( 印刷电路板) ，自动光学检测，自动控制，微控制器，c a n 总线 _ 一 _ | a b s t r a c t a b s t r a c t p c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) a p p e a r a n c ei n s p e c t i o ne q u i p m e n ti so n eo ft h em o s t i m p o r t a n ta u t o m a t i co p t i c a li n s p e c t i o ni n s t r u m e n t s i th a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha s h i g hi n s p e c t i o ns p e e d ，n o n - d e s t r u c t i v ei n s p e c t i o n , h i g h p r e c i s i o n t h e r e f o r e ，i tp l a y sa n i m p o r t a n tr o l ei np c bi n s p e c t i o n i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ep c ba p p e a r a n c ei n s p e c t i o n e q u i p m e n ta n dt h ef u n c t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e ma r ei n t r o d u c e d t h eg e n e r a ld e s i g n s c h e m eo ft h ec o n t r o ls y s t e mi sd i s c u s s e da n df i n a l l ye s t a b l i s h e d i nt h i ss y s t e m ， i n f i n e o ns i n g l e c h i pm i c r o c o n t r o l l e ri su s e da st h ec o r ec o n t r o lu n i ta n dc a nb u si s a p p l i e da st h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t h ec o n t r o lc i r c u i t so fs t e pm o t o r s ，s e r v o m o t o r s ， c a nb u ss y s t e m ，s w i t c h e sa n ds e n s o r sa r ed e s i g n e d ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gp r o g r a m s a lec o m p l e t e db yt h eu s a g eo fd a v ea n dk e i ls o f t w a r e t h r o u g hd e b u g g i n g ，t h e c o m m u n i c a t i o nw i t hu p p e rc o m p u t e rs o f t w a r ei s r e a l i z e d f i n a l l y , t h et r a n s m i t t i n g d e v i c e s ，s c a n n i n gd e v i c e sa n ds o r t i n gd e v i c e st a k ec o r r e s p o n d i n ga c t i o n so l lp c bi n t e r m so ft h er e q u e s t i o n s t h i ss y s t e mi se x c e l l e n ti ns p e e d ，r e a l - t i m ea n ds t a b i l i t y c o n s e q u e n t l y , t h ec o m p e t i t i v ef o r c e s o ft h e a p p e a r a n c ei n s p e c t i o ne q u i p m e n ta r e e n h a n c e dg r e a t l y k e yw o r d s ：p c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) ，a u t o m a t i co p t i c a li n s p e c t i o n ，a u t o m a t i c c o n t r o l ，m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ，c a nb u s i i 。 目录 目录 第一章引言1 1 。1 本课题研究的目的和意义1 1 2 国内外自动光学检测技术的发展现状2 1 3 课题完成的内容及创新点6 第二章p c b 光电自动外观检查机的系统分析8 2 1p c b 光电自动外观检查机简介8 2 2p c b 光电自动外观检查控制系统8 第三章控制系统总体方案1 2 3 1 控制系统的微控制器的选择1 2 3 2 控制系统的工作原理及总体方案1 4 3 2 1 控制系统的工作原理1 4 3 2 2 控制系统的结构组成1 5 3 2 3 控制系统的通信系统1 7 3 3p c b 外观检查控制系统相关器件的选择1 9 3 3 1 步进电机19 3 3 2 滑台2 0 3 3 3 交流调速电机2 l 3 3 4 伺服电机2 2 3 3 5c c d 相机2 4 3 3 6 传感器一2 6 第四章p c b 外观检查控制系统的硬件电路设计2 8 i i i 目录 4 1x c l6 4 系列单片机功能简介2 8 4 2x c l6 4 系列单片机外围电路2 9 4 2 1 供电电路3 0 4 2 2c a n 总线接口电路- 31 4 2 3 程序调试接口电路3 2 4 3 上板系统控制电路设计3 2 4 3 1 上板系统主控制单元x c l6 4 c s 3 2 4 3 2 上板系统步进电机驱动单元电路3 3 4 3 3 上板系统滑台驱动单元电路3 4 4 3 4 上板系统真空吸手驱动电路3 5 4 3 5 上板系统气缸控制电路3 6 4 3 6 上板系统传感器信号输入电路3 7 4 4 扫描系统控制电路设计3 7 4 4 1 扫描系统主控制单元x c l6 4 c s 电路3 7 4 4 2 扫描系统伺服电机控制电路3 8 4 4 3 扫描系统步进电机驱动电路3 9 4 4 4 扫描系统机械手控制电路3 9 4 4 5 扫描系统传感器接口电路4 0 4 5 分拣系统控制电路4 0 4 5 1 分拣系统主控制芯片x c l6 4 c s 电路4 1 4 5 2 分拣系统步进电机驱动单元电路。4 2 4 5 3 分拣系统传感器接口电路4 2 4 5 4 交流电机控制单元电路4 2 4 5 5 挡板和闸门的控制电路4 3 i v 目录 第五章p c b 外观检查控制系统的软件设计4 4 5 1 软件工具4 4 5 2 系统总体软件设计4 5 5 3 上板系统软件设计5 0 5 4 扫描系统软件设计5 1 5 5 分拣系统软件设计5 3 5 6c a n 通信软件设计5 3 第六章系统调试5 8 6 1 硬件调试5 8 6 2 软件调试6 0 第七章结论6 3 致谢一6 5 参考文献6 6 攻硕期间所取得的成果7 0 v 第一章引言 第一章引言 1 1 本课题研究的目的和意义 随着微电子技术的发展，生产技术的提高，印制电路板( p c b ) 在电子工业中 的作用尤为重要，几乎是任何电子产品的基础，出现在几乎每种电子设备中， 并且由于计算机、消费电子、通信等电子工业的迅速发展，对p c b 的需求越来越大， p c b 的制作工艺也日趋复杂，这些都给p c b 的质量检验提出了新的挑战，同时也给 自动光学检测带来了新的难题【l 】。 传统的p c b 夕 , 观检查完全是靠人工肉眼检测，这种检测方法不但劳动强度大、 效率低、工艺水平主观性强，而且对微小器件和引脚无法检测，并且现在电路板 的过孔尺寸越来越小，线路越来越密集，已经达到了肉眼难以分辨的地步，所以 单靠人眼己经无法完成检测任务t t 2 1 。从而逐步被新的检测技术替代。因此基于计 算机与图像处理技术进行的p c b 光电自动外观检查研究开始成为p c b 检测的热门 方向。 从广义来说，p c b 光电自动外观检查机属于a o i ( 自动光学检测仪) 的一种， 但不同于p c b ( 印制电路板) 行业普遍使用的a o i t ”。当前，p c b 行业普遍使用的 a o i 仅能检测其内层线路短路和开路等问题，却不能解决造成客户退货和产品报废 主要原因的外层、外观和表面氧化等问题【4 】。因此，必须依靠大量的人力检出合格 的产品才能发给客户，因而大大提高人力成本，使竞争优势下降【5 】。人力检测因长 时间劳动下的疏忽，容易出现漏检或误检，且因人眼机能的自身限制，不能正确 识别众多可能造成客户退货或产品报废的外观、氧化等问题，这样就使一种能够 替代人眼完成工作的仪器外观检查机成为p c i 3 行业发展的必然趋势和选择1 6 1 。 外观检查机，作为p c b 行业一种具有代表性的可独立延伸、丰富的应用方向和 趋势的仪器装备，其研究的最终目的是完全替代人工检测，解决困扰p c b 产品品质 检测的系列问题，并能持续满足行业发展的更新需求【7 】。将自动光学检测设备引入 生产线具有重大意义【s 】。 首先它是业务拓展的坚强后盾，通过购买和使用光电自动外观检查系统，切 实提高产品的良率，强化市场的竞争力。 本项目研究的目的，就是要在综合国内外现有技术的基础上，研发出种快 电子科技大学硕士学位论文 速、准确检测p c b 外观质量缺陷的智能型印制线路板( p c b ) 外观缺陷检查机，以 取代传统人工检测方法，有效克服人工检测手段的自身缺陷【9 1 。从而有效地提高检 测效率、降低检测人工成本、提高产品交货合格率和客户满意度：替代进口，解 决购买、使用和维护成本高等问题。最大程度地提高p c b 生产企业的竞争力，推动 中国整体p c b 产业和仪器产业的向前发展【10 1 。 本课题则着力于研究p c b 表面缺陷的自动光学检测仪的控制系统。光电自动外 观检查系统的目的即在于检查出p c b 板表面的这些缺陷，将结果显示给用户，对 p c b 板进行自动分拣，减少人工投入【1 1 】。本项目的开发和产业化应用对中国p c b 行业水平、中国仪器行业水平以及装备制造业水平的提升等方面都具有重要的战 略意义。 这些往往就造成了不良品的存在，对企业造成了很大的损失i l2 1 。本项目的研 发项目产品可替代进口，替代人工检测，降低成本，并从根本上解决长期困扰p c b 产品品质检测的系列问题。 我国的检测仪器设备，绝大部分属于中低档产品。关键指标如可靠性、稳定 性等同国外产品也有一定差距。高档、大型仪器设备几乎全部依赖进口。中档产 品以及许多关键零部件，国外公司也占很大份额。中国测试仪器产业发展滞后， 存在许多问题，面临严峻的形判”】。 制约我国测试仪器产业发展的“瓶颈”主要集中在以下两个方面【1 4 1 ，科技创 新及其产业化进程滞缓。在已经跨入2 1 世纪的今天，我国测试仪器设备的水平还 普遍停留在2 0 世纪8 0 年代初国际水平上，许多急需的专用仪器设备还是空白，中 低档产品的质量还有许多难关需要攻克。 外观检查机属于一种大型综合型的仪器设备，对光学技术、软件技术、算法 技术、机电技术等均有很高的要求，是各学科交叉融合的产品，其成功研发和产 业化必将大幅度的提升中国现代仪器的设计和制造水平，推动中国仪器行业向新 的台阶迈进。 1 2 国内外自动光学检测技术的发展现状 改革开放三十年来，中国经济一直呈现高速发展的态势，自动光学检测技术 及相关产业在近年来也逐渐兴起，但尚未在中国庞大的工业体系中扮演应有的重 要角色【1 6 1 。一项调查显示，潜在客户中有近9 0 并不了解自动光学检测的内容与 功能【1 7 1 。其中一个重要的原因是，中国传统制造业长期以来技术创新的薄弱和产 2 第一章引言 业技术改造的滞后，对光电自动外观检查系统这类先进技术的认识不足，没有形 成迫切的需求引。 当然，这种现状恰恰说明自动光学在中国市场潜力深厚，大有可为。我们应 当看到，中国的人力成本优势正在变弱，而市场上的用户对于产品质量和质量控 制的要求越来越高。在这种情况下，为了保持产品质量和竞争力，制造业广泛采 用自动光学检测技术将是一大趋势。 随着p c b 行业对最终外观检查环节自动化检测的迫切需求，外观检查机已经逐 渐被很多p c b 生产企业认可并接受，以提高产品质量，降低生产成本。市场规模的 逐步扩大，使之成为广大设备制造商所看好的仪器【l9 1 。近年来，国外的外观检查 机产品研发不断升温，发展势头迅猛，成果显著。之后就外观检查机的整体现状 及发展态势进行分析介绍。 由于p c b f l ；u 造行业的发展历史，呈“欧美一日本一台湾一大陆”的地域发展顺 序，与行业配套的仪器设备发展也与其密切相关，外观检查机也是如此。以色列、 日本、台湾等地的设备制造商在产品开发、市场销售等方面均走在大陆前面，不 仅在其所在地占有了市场，而且进入大陆市场，给大陆p c b 设备行业带来了不小压 力【2 0 1 。国内厂商近年来也开始了外观检查机的相关研发，取得了一些成果，但依 然任重道远。 现就国内外的具体发展情况分别进行介绍： 由于p c b 行业最先在欧美地区发展，然后是日本、台湾。因此，这些地区的 p c b 设备厂商发展时间长，技术积累深，对于外观检查机的研制占据了先发优势 【2 1 】。其中比较有代表性的厂商有： ( 1 ) 以色列c a m t e k 作为自动光学检测领域的著名厂商，以色列c a m t e k 公司在半导体封装、i c 载板、p c b 制造等行业具有较长的产品线 2 2 1 ，其在p c b 行业推出了外观检查机 m u s t a n g6 0 0 ( 如图1 1 ) 。该产品专用于对各种母板尺寸的高密度互连( h d i ) p c b 进行最终检查。 电子科技大学硕士学位论文 图1 - 1 以色列c a m t e km u s t a n g6 0 0 外观检查机 ( 2 ) 日本网屏 日本网屏为综合性机器设备制造商，其面向制版、印刷、半导体、液晶显示等 各大行业。其f p 8 0 0 0 系列外观检查机( 如图1 2 ) 包括了单面自动、双面自动型 旦 2 3 1 了。 图1 - 2 日本网屏f p 8 0 0 0 外观检查机 ( 3 ) 日本白井 日本白井电子工业株式会社( s h i r a i ) 于1 9 6 6 年成立，是集线路板及线路板 外观检查机的设计、制造、销售为一体的高科技企业f 2 4 】。其3 0 0 系列、5 0 0 系列、 7 0 0 系列等外观检查机包括手动、单面自动、双面自动等机型( 如图卜3 ) ，覆盖 了p c b 行业大部分厂商的需求，目前在市面上的占有量最高。 4 第一章引言 图卜3 日本白井外观检查机 ( 4 ) 日本h i n s t e c 日本h i n s t e c 公司主要从事印制线路板外观检测设备、印制线路板电气检测设 备、c a dc a mc a t 系统的开发、制造、销售【2 5 1 。其f e l i n e 系列外观检查机( 如 上图1 4 ) 包括自动、半自动、手动等型号。 图1 - 4 日本h i n s t e c 外观检查机 ( 5 ) 台湾由田新技 台湾由田新技主要从事以机器视觉( m a c h i n ev i s i o n ) 技术为核心的设备的研发 与销售，为台湾自动光学外观检测设备的领导厂商 2 6 1 。其研发的s k y l i n e 系列p c b 外观检查机( 如图1 - 5 ) 为台湾首创。 5 电子科技大学硕士学位论文 图1 - 5 台湾由田新技s k y l i n e 外观检查机 ( 6 ) 国内发展现状 国内也有很多研究成果，有人着重图像处理算法研究，如蔡家雄在印刷电路 板检测系统中，提出2 5 d 的取向检验方法，并说明了曲线拟合、及圆形图像的圆 心坐标与半径的推导，其缺陷检验方式为建立标准图像，再将待测图像与之作逻 辑运算后，进行分析【2 7 】。戴祥林提出电路板的检测规则，其文中对图像前处理运 用于电路板检验之叙述相当详尽，其中所提及的x o r 应用于图像比对的方式，可 以应用在许多方面【2 8 1 。有人着重于图像采集部分研究，如李颖提出在p c b 图像采 集系统中，采用两轴电机实现扫描检测的解决方案，于传统采集相比，大幅提高 了c p u 的利用率。刘万春、陈小春等提出一种利用多c i s ( 接触式图像传感器) 实现p c b 基板缺陷检测的新方法，在降低系统成本方面提出新的方案【2 9 1 。还有部 分学者注重照明部分设计的，如潘珍英、李俊掣3 0 】。本课题组也开展了很多自动 光学检测相关的工作，如p c b 孔径孔数光学自动检测机设计及研究，p c b 外观检 查机的设计及研究，x r a y 自动光学检测机的设计及研究等。 1 3 课题完成的内容及创新点 本论文的主要目的是p c b 板面缺陷光电自动外观检查系统的控制部分设计及 研究，主要研究的内容包括以下几个部分： 外观检查机为基于线扫描成像技术的视觉检测系统，与传统的面阵系统有着 较大差异。外观检查机属于精密光机电设备，精密、稳定、高效的机械和运动控 制设计可保障稳定的整机自动化运行。 6 第一章引言 外观检查机的自动化程度在很大程度上取决于其运动控制水平。相对于其他 运动控制方式而言，采用高精度m c u 作为运动控制核心智能化和成本可控，且开 发方便。采用该方式可实现：机械运动定位精度补偿、p i d 控制算法提高运动稳定 性等。同时外观检查机整体分为多个运动单元，需控制的对象包括电机、传感器、 气动单元等，要形成整体的协同，需要实现分布式控制，各部分可独立运动，同 时各部分之间可实时通信、协调。因此，在设计中采用现场总线技术，实现整机 联动。 还在抗干扰方面也采取了多个方法改进：首先采用了c a n 总线，使得各控制 系统单元之间相对独立，简化了系统的连线，提高系统连线之间了抗干扰能力。 同时采用光耦进行隔离，并且采用了x c l 6 4 c s 作为微控制器提高了电路板本身抗 干扰能力。最后每个控制系统单元都采用电磁屏蔽机箱以及自制的电磁屏蔽盒， 以及合理的接地技术，提高了抗电磁干扰能力。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章p c b 光电自动外观检查机的系统分析 2 。1p g b 光电自动外观检查机简介 p c b 光电自动外观检测是一种以自动光学检测为基础，把摄像机作为图像传 感装置。其基本原理( 如图2 - 1 所示) 是：在电脑程序驱动下，相机对p c b 表面 进行自动扫描，采集图像，将采集图像处理后与资料库中标准参考图像进行比较， 经过图像处理，检查出p c b 上缺陷【3 。光电自动外观检查系统除了能检查出目 检无法查出的缺陷外，还能把生产过程中所出现缺陷类型加以收集，该统计资料 可供制程控制人员分析和管理【3 2 】。整个系统检查过程如下： ( 1 ) 通过运动控制单元，使检测目标在传送平台上匀速传输； ( 2 ) 当检测目标运动至传感器，触发相机，在光源的照射下，进行图像采集； ( 3 ) 从图像采集卡获取图像，进行图像处理，获得检测结果； ( 4 ) 在必要的情况下，以检测结果为依据，通过运动控制单元，完成检测目 标的分拣。 图2 - 1 光电自动外观检查系统组成框图 2 2p o b 光电自动外观检查控制系统 光电自动外观检查系统具有快速准确、可重复性强以及自动化程度高等特点。 自动光学检测技术的出现极大的减轻了人工检测的压力，解决了传统人工检测中 第二章p c b 光电自动外观检查机的系统分析 的许多问题，提高了产品的检测质量和检测速度，为工业领域自动检测提供了革 命性的解决方案【3 3 】。正是由于该系统为流水线式，所以它对整个控制系统提出了 更高的要求。 分布式的现场总线能同时满足过程控制和制造业自动化的需要，成为了本文 光电自动外观检查系统的唯一选择。分布式的现场总线控制系统比集散型控制系 统更好地体现了“信息集中、控制分散 的特点【3 4 1 。 控制器局域网( c a n ) 总线已被公认为几种最有前途的现场总线之一c a n 总 线是一种在工业控制中应用非常成熟的总线，带宽利用率高，纠错能力强。c a n 总线是具有通信速率高、容易实现、且性价比高可靠性好以及价格低廉等特点 3 5 】 的种已形成国际标准的现场总线。这些也是目前c a n 总线应用于众多领域，具 有强劲的市场竞争力的重要原因。 本设计采用了英飞凌开发的1 6 位微控制器系列中的x c l 6 4 为c a n 总线控制 芯片，完成了相关软硬件设计，并成功的将其应用到p c b 光电自动外观检查系统 的控制系统。 p c b 光电自动外观检查系统的工作过程描述如下：首先把一摞p c b 板放在上 板小车上，由上板小车自动送到上板系统，再分成一块接一块的传送到扫描部分， 由相机对p c b 板表面进行自动扫描、采集图像，再根据图像处理后的结果，自动 把p c b 板传送到好板区或坏板区，从而完成整个p c b 板面缺陷的判断。所以如图 2 2 所示p c b 光电自动外观检查系统按功能则可以分为：上板部分，扫描正面部 分，扫描反面部分，分拣好板区，分拣坏板区共五部分。 图2 - 2 p c b 面缺陷自动光学检测仪系统框图 9 电子科技大学硕士学位论文 由于p c b 板面缺陷检测系统，系统复杂、工作量众多。整个系统使用的电机 有5 类多达1 9 个、气缸1 1 个以及各类传感装置若干。所以整个控制系统对于实 时性、稳定性以及协调性都有很高的要求。而且整个控制模式也分为制作标准板 模式、单步运行模式以及检测模式，对于模式间的转换灵活性要求也很高。而分 布式控制系统因其有高可靠性、开放性、灵活性、易于维护、协调性和控制功能 齐全等特点，完全满足本控制系统的要求，光电自动外观检查控制系统网络结构 如图2 3 所示。 ：喊 耳 虢 ( _ 撅 毒善 c a n 接口c a n 接口c a n 接l 1i jlolj 1r 1r 1 c 腑剑 jij ljl 1r 1r 1r c a n 接d il c a n 按1 2 1 c a n 接口 霉：霉 。旆 c 鞴 ( 鞴 图2 - 3 控制系统组成原理图 如图2 4 所示，本文中整个自动光学检测仪控制系统采用了三种模式，分为制 作标准板模式、检测模式、和手动调试模式。 制作标准版模式为为整个检测采集标准图像，以此图像为标准，对其他同类 p c b 板进行检测。整个采集过程为多次采集，取平均值或范围值，让环境影响和 噪声减小到最小值。 检测模式为对待检测印制电路板进行采图，整个过程为流水线式，采集完图 像和标准被对比后对该板进行自动分类和放置。 手动调试模式为对机器各部分甚至各个电气装置进行单独调试，可以从计算 机上直接了解各个部件的实际情况。 1 0 第二章p c b 光电自动外观检查机的系统分析 图2 - 4 模式分布图 1 1 。_ _ 1 _ _ - 。_ _ - 。_ _ _ 。_ _ - 一 电子科技大学硕士学位论文 第三章控制系统总体方案 3 1 控制系统的微控制器的选择 控制系统中的微控制器一般采用单片机。单片机的种类有8 位( 如：a t m e l 公司的a t 8 9 c 5 1 等) 、1 6 位( i n f i n e o n 公司的x c l 6 4 c s 等) 、3 2 位( p h i l i p s 的 a r m 2 2 9 4 等) 【3 6 】。在基于可见光c c d 的p c b 外观检测控制系统中要选择什么样 的单片机? 一般要考虑以下几个特点：单片机的运行速率，单片机的运行速率关 系着整个控制系统的实时性；单片机内部存储器的大小以及其可扩展性；是否有 丰富的外围资源，一块有着丰富外围资源的单片机可以为产品的开发带来很多便 利；更加重要的是所选单片机是否适合该控制系统的工作环境需要，能否在该控 制系统的工作环境中安全、可靠的运行；是否有与单片机相配套的开发装备( 例 如开发板、相关开发软件、程序编译软件) 等【3 7 】。 x c l 6 4 系列单片机是源于英飞凌c 1 6 6 微控制器家族，它采用了增强的 c 1 6 6 s v 2 内核架构。 其主要性能如下： ( 1 ) 主频可以高达4 0m h z ，有5 级流水线，单时钟周期指令执行，2 51 1 8 的指 令执行时间，2 51 1 8 的1 6 1 6 位乘法运算的执行时间，零周期跳转执行，单周期 乘法，累加指示，这些都奠定了x c l 6 4 系列具有强大的运算处理能力的基础【3 8 1 。 ( 2 ) 高性能的片上r o m f l a s h 内存，具有2k b 双口r a m ，用于变量， 寄存器组，系统堆栈；2k b 额外高速数据s r a m ，用于变量和用户堆栈；2k b 快 速s r a m ，用于数据和代码1 2 8k b 先进的程序f l a s h 存储器，用于指令代码和 常数。外部还可以扩展4 片6 4k 的外部存储器【3 9 】。 ( 3 ) 其中x c l 6 4 c s 有多达7 9 条独立位寻址功能的i o 线，可编程的1 0 口 驱动特性；功能强大的集成外围设备，芯片集成了1 4 路的高速、高分辨率的a d 模块，至少8 路的p w m 输出，双c a n 控制器等。 ( 4 ) 宽的温度范围，x c l 6 4 系列的温度范围在4 0 n + 1 2 s 之间；具有优 良的稳定性和抗干扰能力【矧。 ( 5 ) 开发软件有k e i lc 1 6 6 ，英飞凌的可视化程序开发软件d a v e ，能生成k e i l c 1 6 6 支持的程序代码，以方便软件的开发过程，缩短了软件的开发周期f 4 。 1 2 第三章控制系统总体方案 其还具有以下特点，x c l6 4 的核心架构将c i s c 和r i s c 处理器的优势完美的 结合起来【4 2 】。x c l 6 4 还把高性能c p u 与很多功能强大的外设单元集成起来，有 效的联接成了一个微控制器系统【4 3 1 。其计算和控制功能由于m a c 单元的d s p 功 能而变得更加完善。片上存储模块有一个专门的总线和控制单元，用于存储代码 和数据】。这些功能有助于x c l 6 4 微控制器的高性能，使得x c l 6 4 能够完美的 符合p c b 光电自动外观检查机的需要。x c l 6 4 中还采用了一项l x b u s 总线，用于 标识外部总线接口。l x b u s 总线提供一个标准化的方法，可方便的将附加的专用 外设集成到标准x c l 6 4 系列芯片中【4 5 1 。其功能框图如图3 1 所示。 图3 - 1x c l 6 4 功能框图 由上述可见，x c l 6 4 系列是一款非常适合p c b 外观检测控制系统的微控制 器。p c b 外观检测控制系统主要有上板部分，扫描部分，分拣部分组成。其中上 板系统需要块单片机，扫描部分分为正面扫描和反面扫描，需要两块单片机， 分拣系统需要两块单片机。所以控制系统总共需要用到五块x c l 6 4 c s 芯片。 电子科技大学硕士学位论文 3 2 控制系统的工作原理及总体方案 3 2 1 控制系统的工作原理 外观检测机基本工作原理是：通过步进电机带动传送装置自动传送p c b ，再 通过伺服电机和线阵c c d 相机协调工作，均匀扫描p c b 板正面和反面，获得准 确的图像，并快速传输给计算机，通过计算机对比处理已扫描线路板并进行判断， 然后分板装置根据计算机反馈的控制信号自动分拣p c b 。如果针对软件部分可以 把硬件系统看做一下五部分五部分，分别为上板部分( 滑轮是吸盘运动的动力组、 小车用于堆放运送p c b 板、整形目的在于调整p c b 板位置、吸盘用于吸附p c b 板、吸板是p c b 板抓取的一个动作、真空气源是吸板动作的原动力、滑台是滑轮 运动的轨道) 、扫描部分( 夹板是p c b 板翻转的第一个动作，在指定位置夹住p c b 板；翻板时p c b 板翻转的第二个动作，将夹持的p c b 板升高至一定位置；旋转是 p c b 板翻转的第三个动作，实现1 8 0 。的旋转) 、良品( o k ) 分拣部分( 接板，当 确定为良品时，改变p c b 板夹持轨道宽度，让p c b 板下降至接料板：接料板，当 分拣时，托住下降p c b 板的装置；小车用来运送分拣后的p c b 板) 、次品( n g ) 分拣部分( 挡臂，当未获得分拣结果时，将p c b 板挡在次品分拣位置，等待分拣 信号；接板、接料板和小车的功能同良品板分拣) 及系统控制( 系统复位实现硬 件恢复初始化设置) ，其检测模式工作流程图如图3 2 所示。 1 4 第三章控制系统总体方案 图3 - 2 外观检测机检测模式流程图 图像采集和处理是整个系统的核心部分。为了获得准确高质量的图像，本系 统采用伺服电机纵向运动，线阵c c d 横向扫描的方法，获取高清晰度的图片，存 入图像采集卡，在传送到计算机进行图像处理，分析图像，得出判断。 3 2 2 控制系统的结构组成 p c b 外观检测系统是综合了光学、自动化、计算机处理学等领域的相关技术 而研制的处理系统。该系统所涉及到的些学科与技术是当今科学研究的前沿领 域，其中，图像处理、模式识别、机器视觉等领域就是一个非常前沿的科学。 本课题设计的自动光学外观检测系统是p c b 产品生产线上的一种质量检测设 电子科技大学硕士学位论文 备，主要应用于p c b 硬板工序的外观缺陷检查判定，是光、机、电一体化的高精 密测试系统。它基于光学图像处理和计算机视觉识别技术原理，主要功能是对p c b 组件生产过程中遇到的缺陷进行检测。 p c b 外观检测系统主要由三个分系统组成：上板系统、扫描系统和分拣系统。 下面分别介绍三个分系统的要实现的功能及其器件构成。 上板系统主要任务就是将待测p c b 从检测机外部传送到检测系统内部工作平 台。涉及的主要器件有步进电机、真空吸手、滑台、交流电机以及各种传感器等。 首先步进电机将待测p c b 板提升至真空吸手处，接着真空吸手吸住p c b 板，然后 滑台带动真空吸手运动到扫描系统工作平台前方的交流电机并将p c b 板放到其 上，交流电机再将p c b 送至扫描系统工作平台。 扫描系统的主要任务是完成对待测p c b 板正反面的图像采集，并通过计算机 进行图像分析比较，判定该p c b 板是不是合格，最后将判断结果传送给分拣系统。 扫描系统涉及的主要器件有负责驱动扫描工作平台的伺服电机，进行图像扫描的 c c d 相机、收集图像的图像采集卡、负责p c b 板正反面翻转的机械手、电磁阀以 及这一系列过程中所要用到的传感器。当待检测的p c b 板被送到扫描工作平台时， 光纤传感器触发c c d 相机开始图像扫描；正面扫描结束后，再通过机械手抓板、 提升、翻转、下降，再次放置到工作平台，继续进行p c b 板的反面扫描。c c d 扫 描到的图像先存入图像采集卡，经采集卡后再传输给计算机，计算机将检测到的 图像与已有的合格p c b 图像进行分析对比，并判断是否合格，并将判断结果反馈 给分拣系统。 分拣系统的主要任务就是根据计算机的判断结果分拣出合格品与不合格品。 分拣系统涉及的主要器件有步进电机、电磁阀、挡板等。当图像扫描结束后，p c b 板被送到分拣系统，分拣系统首先停止电机，并通过挡板拦截住p c b ，使其停留 在合格品的位置，等待计算机的判定结果，若为合格品，则电磁阀控制闸门打开， p c b 从正品通道送出；若计算机的判定结果为不合格品，则挡板收起，电机重新 开始运动，p c b 向前传送至不合格品通道，然后电机停止，挡板挡住p c b ，相应 的闸门打开，p c b 从不合格品通道送出。 p c b 外观检测系统的组成图如图3 - 3 所示。 1 6 第三章控制系统总体方案 图3 - 3 系统组成框图 3 2 3 控制系统的通信系统 光电自动外观检查系统具有快速、准确、可重复性好以及自动化程度高等特 点。自动光学检测技术的出现大大的降低了人工检测的压力，解决了许多传统人 工检测中的问题，提高了产品的检测质量和检测速度，为工业领域自动检测提供 了革命性的解决方案。正是由于该系统为流水线式，所以它对整个控制系统提出 了更高的要求。 分布式的现场总线能同时满足过程控制和制造业自动化的需要，成为了本文 光电自动外观检查系统的唯选择。分布式的现场总线控制系统比集散型控制系 1 7 电子科技大学硕士学位论文 统更好地体现了“信息集中、控制分散”的特点。且分布式控制系统在适用范围、 可扩展性、控制速度、系统模块化、可维护性、抗单点故障等方面具有明显优势， 是极佳的选择【绚j 。 c a n 属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行 通信网络。较之目前许多r s 一4 8 5 基于r 线构建的分布式控制系统而言，基于c a n 总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性： 首先，c a n 控制器工作于多主方式，网络中的各节点都可根据总线访问优先权 ( 取决于报文标识符) 采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，且c a n 协议废除了站地址编码，而代之以对通信数据进行编码，这可使不同的节点同时接 收到相同的数据，这些特点使得c a n 总线构成的网络各节点之间的数据通信实时 性强，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和系统的灵活性。而利用r s 4 8 5 只能构成主从式结构系统，通信方式也只能以主站轮询的方式进行，系统的实时 性、可靠性较差。 其次，c a n 总线通过c a n 收发器接口芯片的两个输出端c a n h 和c a n l 与 物理总线相连，而c a n h 端的状态只能是高电平或悬浮状态，c a n l 端只能是低 电平或悬浮状态。这就保证不会出现象在r s 4 8 5 网络中，当系统有错误，出现多 节点同时向总线发送数据时，导致总线呈现短路，从而损坏某些节点的现象。而且 c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操 作不受影响，从而保证不会出现象在网络中，因个别节点出现问题，使得总线处 于“死锁”状态。而且，c a n 具有的完善的通信协议可由c a n 控制器芯片及其接口 芯片来实现，从而大大降低系统开发难度，缩短了开发周期，这些是只仅仅有电 气协议的r s 4 8 5 所无法比拟的。 另外，与其它现场总线比较而言，c a n 总线是具有通信速率高、容易实现、且 性价比高等诸多特点的一种已形成国际标准的现场总线。这些也是目前c a n 总线 应用于众多领域，具有强劲的市场竞争力的重要原因。 控制器局域网( c a n ) 总线已被公认为几种最有前途的现场总线之一。c a n 总线是一种在工业控制中应用非常成熟的总线，它还具有以下特点：带宽利用率 高，纠错能力强【4 7 】；并且它废除传统的站地址编码，代之以对通信数据块进行编 码，可以多主方式工作；采用非破坏性仲裁技术，有效避免了总线冲突；采用短 帧结构，数据传输时间短，受干扰的概率低，重新发送的时间短 4 8 】；每帧数据都 有c r c 校验及其他检错措施，保证了数据传输的高可靠性，适于在高干扰环境下 使用；节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，以使总线上其他操 第三章控制系统总体方案 作不受影响；可以点对点，一对多及广播集中方式传送和接受数据【4 9 】。c a n 总线 满足本控制系统对于数据总线的要求。c a n 总线的通信介质可以是双绞线，同轴 电缆或光导纤维，通信速率最高可达lm b p s ( 此时通信距离最长为4 0m ) ，通信距 离可达1 0k m ( 速率5k b p s 以下) 。由于其通信速率高，可靠性好以及价格低廉等特 点【5 0 】。是本系统的最佳选择。 3 3p c b 外观检查控制系统相关器件的选择 基于可见光c c d 的p c b 外观检测控制系统中，微控制器所需要控制的主要 设备有步进电机、伺服电机，线阵c c d 相机、各类传感器、各种控制开关及按钮 等。其中对于伺服电机和线阵c c d 相机的控制是核心，因