最新AOI项目.doc

《最新AOI项目.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《最新AOI项目.doc（99页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-dateAOI项目AOI项目贴片封装设备的技术研究贴片封装设备的技术研究摘要：本文提出的AOI是以光学系统为主的检测系统，是通过放大镜和人工目测来检测PCB上面的元件及焊点的好坏。AOI不但可对焊接质量进行检验，还可对光板、焊膏印刷质量、贴片质量等进行检查。对分布细密的元件进行可靠而一致的检测，并且保存精确的检测记录。 该设备主要由工作台、CCD摄像系统、机电控制、及系统软件

2、组成，可利用摄像头、扫描仪等，通过操作平台的控制，对PCB 板进行扫描，将标准 PCB 板和被测 PCB 板的图像进行比较，可检查出 PCB板上孔之间的位置、孔径、走线的宽度、线间宽度、电子元件等的缺陷。关键词：光学系统，CCD摄像系统，图像扫描，检测系统贴片封装设备的技术研究一、 项目概述1.研究背景1.1国内外发展现状目前电子厂对电子线路板的检测是通过放大镜和人工目测来检测PCB上面的元件及焊点的好坏。需要大量的人力来解决检测问题，每个人都有视力疲劳的时间表，检测出来的PCBA质量极其不稳定，影响后续的生产，产品质量得不到保障。电子发大的国家用测试仪器AOI来对线路板进行测试。市面上有国外

3、的几种测试仪器(AOI)，每一款售价高达70万人民币以上，有日本的欧姆龙，台湾的奥宝，韩国的韩尔等，目前国内还没有厂家生产此机器，都处于研发状态。为了适应目前电子产品的飞速发展，提高电子产品的质量，降低生产成本，提高中国电子产品的竞争力，线路板的检测必须实行自动化测试，开发自动光学测试仪器(AOI)来进行PCBA的测试是市场需要和国家科研项目的重点。1.2立项依据1台离线AOI可以代替4个工人进行工作,目前全国工人都比较紧张，工人工资待遇大幅度的提高，极大的加大了电子企业的生产成本，AOI设备的市场巨大，业内人事估计年产值将达到30亿左右。2.项目研究的目的及意义AOI是以光学系统为主的检测系

4、统，优点是测试速度快、缺陷捕捉率高。AOI不但可对焊接质量进行检验，还可对光板、焊膏印刷质量、贴片质量等进行检查。因此，采用AOI系统，不仅可以提高生产效率，也能提高产品质量。在电子组装业中，元件的微型化和密集化是一直以来的发展趋势。这促使制造商为其生产线安装AOI设备。因为依靠人工已经不可能对分布细密的元件进行可靠而一致的检测，并且保存精确的检测记录。而AOI则可以进行反复而精确的检测，检测结果的存贮和发布还可以实现电子化。AOI已成为有效的过程控制工具，它可以帮助制造商提高在线测试(ICT)或功能测试的通过率、降低目检和ICT的人工成本、避免ICT成为产能瓶颈、缩短新产品产能提升周期以及通

5、过统计过程控制(SPC)改善成品率。作为对传统测试方法经济、可靠的补充。能适应PCB组装密度进一步提高的要求。随着电子产品组装密度的大幅提高，传统的一些测试技术，如ICT等，已不能适应SMT（表面组装技术）技术的发展要求，0402片式组件的出现已经使ICT无法检测，而AOI则不会受这些因素的影响。设备测试成本降低。AOI设备的测试程序可直接由CAD资料生成，与ICT相比，由于无需制作专门的夹具，其测试成本大幅降低。能跟上SMT生产线的生产节拍。目前许多工厂在生产过程中对PCB组件进行检验主要依靠人工目检，但是随着PCB尺寸的加大和组件数的增多，这种检测方式已经不堪重负。而AOI测试目前能做到0

6、.1秒/幅的速度，可以满足在线检测的要求。检测的可靠性较高。检测的要素是精确性和可靠性，人工目检始终有其局限性，而AOI测试则避免了这方面的不利因素，能保持较好的精确性和可靠性。随着SMT不断向轻型化、薄型化、微小化发展，AOI大规模使用已成为必然趋势，伴着市场规模的不断扩大，生产厂商的不断增加，AOI技术也将不断发展，可以预见，在不久的将来，功能更强的AOI将成为SMT生产环节中不可或缺的设备。3 项目研究的主要内容1 项目应完成的工作 A、AOI测试设备的外观设计。 B、测试程序的编制 C、机械传动部分的设计 D、测试过程满足自动流水测试要求 E、测试精度，测试尺寸的要求 F、测试系统可靠

7、性高，程序运行稳定。 G、光源系统的设计2 项目研究应完成的任务指标 A、离线AOI的测试速度要达到每秒测试90到100个元器件，编程速度达到2个小时内完成1000个器件的PCBA的编辑工作.3个小时可以投入生产测试.B、AOI的检测率：对电阻，电容，三级管，IC等贴片元气件的标识检测达到100%，、PCBA上面的错件漏件检出率要达到100%。C、对PCBA上假焊，虚焊，漏焊检出率要达到95%以上，线路部分连锡，桥接、检出率达到100%。D、机械制作成本控制在8万元以内,机器稳定性要达到连续一个月运行无故障。E、检测尺寸：PCB厚度0.53.0毫米, PCB尺寸25*25毫米430*320毫米

8、, PCB翘曲度小于2毫米.零件高度5-30毫米,最小零件01005毫米的元件.F、操作界面WINDOWS2003,初中学历可以进行操作.G、光源系统的稳定，可以长时间的工作，光线对人体没有伤害。二、系统组成及原理 2.1、研究的方法及方案2.1.1什么是AOI AOI（Automatic Optic Inspection）中文名为自动光学检测仪。什么是AOI测试技术 。AOI是近几年才兴起的一种新型PCBA测试技术。当自动检测时，机器通过摄像头自动扫描PCB，采集图像，测试的焊点与数据库中的合格的参数进行比较，经过图像处理，检查出PCB上缺陷，并通过显示器或自动标志把缺陷显示/标示出来，供维

9、修人员修整。 2.1.2项目方案随着电子产业的飞速发展，印刷电路板产业得到了迅猛发展。PCB 产品向着超薄型、小元件、高密度、细间距方向快速发展，其技术性和复杂性已经达到了一个相当高的水平。因此，PCB 的生产质量要求越来越严格，必须进行质量控制。目前 PCB 生产线上有各种各样的在线检测设备，有的采用光学方法，有的采用电子方法(即光学测试和电测试两大类)。自动光学检测仪器通过工作台、CCD摄像系统、机电控制、及系统软件四大部分，再结合其他相关的结构部分，由 CCD 相机进行图像采集，它把 CCD 芯片、A/D 转换以及数据存储模块集成到一起,可以直接输出数字信号。就是利用摄像头、扫描仪等对P

10、CB 板进行扫描，将标准 PCB 板和被测 PCB 板的图像进行比较，可检查出 PCB板上孔之间的位置、孔径、走线的宽度、线间宽度、电子元件等的缺陷。2.2 主要研究部分：A 图像采集的过程，图像采集处理程序。B 机械运动结构合理化。2.3 系统组成及工作原理2.3.1系统组成AOI的结构由工作台、CCD摄像系统、机电控制、及系统软件四大部分构成，在进行检测时，首先将需要检测的线路板置于AOI机台的工作平台上，经过定位调出需要检测产品的检测程序，X/Y工作台将根据设定程序的命令将线路板送到镜头下面，在特殊的光源的协助下，镜头会捕捉要AOI系统所需要的图像并进行分析处理，然后处理器会将X/Y平台

11、移至下一位置对下一副图像进行采集后进行分析处理，通过对图像进行连续的分析处理，来获得较高的检测速度。AOI图像处理的过程实质上就是将所摄取的图像进行数字化处理，然后与预存的“标准”进行比较，经过分析判断，发现缺陷并进行位置提示，同时生成图像文字，让操作者进一步的确认或送维修台检修。2.3.2 工作原理AOI设备的工作流程可以分成建模和检测两个过程，图将这两个流程全部串接在一起，是一个AOI设备检测的完整的流程图，如图2-1。图2-1 AOI设备检测的流程图2.3.2.1 工作台与机电控制：工作台控制系统采用主从式控制结构，上位机为工控机，下位机为多轴运动控制卡。采用交流伺服电机驱动，光栅尺位置

12、反馈的结构进行控制。这是一种全闭环伺服控制系统，工控机作为上位机给控制卡发送控制指令，同时协调图像处理、数据管理、运动控制的工作，控制卡作为下位机与光栅尺构成位置闭环控制，控制发出的位置命令经驱动器放大后控制电机的运动。可以将运动控制程序下载到控制卡的存储器中，由上位机调用执行，同时控制卡具有逻辑控制功能；交流伺服电机的旋转编码器与电机驱动器构成速度环控制，保证系统速度的稳定性。这种控制结构是在充分考虑到系统的性能及制造成本的前提下提出。这是一种目前应用比较多的控制结构，具有控制精度高，高可靠性，研发周期短，研发成本低等特点。2.3.2.2 CCD摄像系统：1. 光学原理： AOI的光源是由红

13、、绿、蓝三种LED灯组成，利用色彩的三原色原理来组合成不同的色彩，结 合光学原理中的镜面反射、漫反射、斜面反射，将PCBA上的贴片元件的焊接状况显示出来。如下图2-2所示：图2-2 光学原理图2.统计学习原理：权值成像数据差异分析系统：是通过对一幅BMP图片栅格化，分析各个像素颜色分布的位置坐 标、成像栅格之间（色彩）过度关系等成像细节，列出若干个函数式，再通过对相同面积大小的 若干幅相似图片进行数据提取，并分析计算，将计算结果按软件设定的权值关系，及最初BMP图像像素色彩、坐标进行还原，形成一个虚拟的、权值的数字图像。我们将其简称为“权值图像”，其主要数字信息含盖了图像的图形轮廓、色彩的分布

14、、允许变化的权值关系等。3.图像比对原理：在测试过程中，设备通过CCD摄像系统抓取所测试线路板上的图像，经过图像数字化处理转入计算机内部，与标准图像进行运算比对（比对项目包括元件的尺寸、角度、偏移量、亮度、颜色及位置等）并将比对结果超过额定的误差阀值的图像通过显示器输出，并显示其在线路板上的具体位置。三、研制过程3.1 系统设计调研 在进行系统设计初，对国外的AOI设备进行大量的考察，相关的资料系统的收集。经过在相关工厂，对AOI现场的查看我们明确了研究的方向及方式，即AOI设备的图像采集处理。3.2 系统方案的确定 X/Y工作台的设计：采用电机来带动丝杆，滑轨的方式。电机由电脑来控制速度，移

15、动位置。工作台PCB自动夹具的设计，初步定位人工放置PCB板。人工放置PCB板，采用光幕的方式确保安全。光源系统的开发：灯用高亮度的LED灯，采用三色光原理，用红绿蓝3种灯。电脑控制LED电压板和LED控制板来改变灯光颜色，亮度。图象采集系统开发：LED照设PCB板的同时，用装在X轴上的工业像机采集PCB板的图象。像机用323接口传输信号给电脑。3.3 系统的开发 3.3.1 硬件系统主要模块的设计3.3.1.1 图像采集处理模块图像采集是自动光学检测系统中非常重要的一个部分。数字图像的获取依赖于图像传感器。以产品类别区分，图像传感器产品主要分为 CCD（Charge CoupledDevic

16、e）、CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）以及 CIS（ContactImage Sensor）传感器三种。CCD 又可分为线型与面型两种，其中线型主要应用于影像扫瞄器及传真机上，面型主要应用于数码相机、摄录影机、监视摄影机等多项影像输入产品上。一般认为，CCD 传感器具有高分辨率，低噪声，高敏感度的优点，其动态范围和光谱响应广，影像失真度低。与 CCD 相比，CMOS 传感器的噪声较大，得到的图像质量较差。但是，CMOS具有体积小，耗电量不到 CCD 的 1/10，售价也比 CCD 便宜的优点。与 CCD 产品相比，CMOS 是标准工艺制

17、程，可利用现有的半导体设备，不需额外的投资设备，且品质可随著半导体技术的提升而进步。图像采集处理系统的组成如图3-1所示：654321A/D转换器9822A/D转换器9822FPGA MCULVDS收发器LVDS接收器LVDS发送器Camera LinkConnector图3-1 图像采集处理系统框图系统主要由三个 CIS传感器，两片 A/D 转换芯片，一片单片机以及一片 FPGA 芯片组成，其中 FPGA 的功能是产生 CIS 以及 AD9822 芯片正常工作需要的脉冲信号，驱动其按系统需要的模式工作，然后把 CIS 所采集到的行图像信号存到 FPGA 内部的 Block RAM 中进行缓存

18、，最后把缓存后的行图像信号通过 Camera Link 接口传给图像采集卡，单片机与 A/D 转换芯片相连接，用来控制 A/D 转换芯片的工作模式以及图像增益，与此同时单片机还通过串口连接到 Camera Link 接口，接受电脑调节图像增益的指令。1元器件的选择1）CIS的简介本系统选用 CIS 传感器作为图像采集的传感器，其体积小，价格便宜，抗震性好，拼接起来十分方便。CIS 传感器物理分辨率为 400 DPI(16 point/mm ) , 有效扫描宽度为 21 cm，扫描速度为 0.6 ms/line。对于系统的 60 cm 的检测宽度，需要把三根CIS 拼接起来。CIS 传感器单元及

19、棒状聚焦透镜一一对应地排成线阵, 共有 19 个传感器芯片，每个芯片有 174 个传感单元, 总共可检测 3306 个像素点。传感器的视频输出分为两路 VOUT1 和 VOUT2，其中 VOUT1（像素点 1 像素点 1740）有 10 个传感器芯片，VOUT2（像素点 1741像素点 3306）有 9 个传感器芯片。2）AD9822的简介AD9822是一款 CCD 信号处理专用芯片，它对 CCD 阵列输出的模拟图像信号进行处理，改善信号质量，并将其变换为 14 位二进制数字信号；其最高转换速率为 15 MHz；采用 5V 电压供电；单通道模式下典型功耗值为 300 mW。如图 3-2所示，A

20、D9822 由 3 路独立的采样电路组成，每一路负责采样 CCD 输出信号中的一种颜色信号，3 路分别负责采样红、绿、蓝三种颜色。每一路由一个输入钳位器、相关双采样器（CDS）、暗电平补偿（DAC）、可编程增益放大器(PGA)组成。三路复用进入一个 14 位模数转换器，输出的 14 位数字信号由 8 个端口分时输出，第一个时钟周期输出高 8 位，后一时钟周期输出低 6 位。3 个通道输入(VINR 代表红色通道模拟输入，VING 代表绿色通道模拟输入，VINB 代表蓝色通道模拟输入)也为 CIS 提供输入。通过串行 SPI 接口，可以操作 AD9822 内部的寄存器来设置AD9822，包括放大

21、系数，暗电平补偿的偏移量和 AD9822 工作模式等。图3-2 AD9822结构框图2 X/Y 平台的控制在主操作窗口上有12个方向移动按钮表示X/Y平台的相应方向的移动，移动形式分为粗调和微调两种形状的快速移动，用于大范围的调整表示慢速移动，可以精确调整。同时还有精确位置“任意移动”功能，选中工具栏中的图标，表示选中“任意移动到”，即鼠标点击主窗口界面上的某一位置，摄像头的中心就对应在该位置（一般方便于确定计算起点和计算PCB尺寸） 3 图像系统及灰度图普通的图像都是由各种的点构成的，这些点被称为像素（pix），这些点的集合就形成了一整幅图像。对于彩色的图像有RGB、CMY、YUV、YcbC

22、r几个系统。RGB是最常用的彩色系统，计算机系统通常使用RGB系统，是使用红色（RED）、绿色（GREEN）和蓝色（BLUE）三原色彩叠加得到各种颜色，这三种颜色被分为256级（当然还可以分成更多的级别，如512，1024等），经组合可得1600万种颜色。而CMY为减色系统，分别为青色（Cyan）、品红（Magenta）、黄色（Yellow）三种颜色，CMY系统一般用于印刷工业。这两个系统的其对应关系如图3-3所示。图3-3 RGB、CMY关系图从上面的关系图中，可以看到白色为（255，255，255），黑色为（0，0，0），这样从白色到黑色的连线上的点是R=G=B，这些点只有亮度信息，可以成

23、为灰度信号。我们把只含亮度信号，没有色彩信号的图像，成为灰度图，就是我们平时看到黑白照片。在AOI设备中使用黑白CCD进行图像采集，得到的就是灰度图。这是因为对PCB上的瑕疵只需黑白信号就能表示，而且黑白CCD的解析度也远较彩色CCD高，同样面积的CCD靶面上，黑白图像的解析度是彩色图像的三倍以上。这样，我们以后提到的任何图像信号都是灰度的黑白图像。4. 图像数字处理原理本文图像处理采用的是列向阙值法.列向阙值法的基本思想是:对图像自上而下进行阙值判边缘,当遇到第一达到阙值的像素点时,中止对该列的搜索,开始新的一列的搜索,直到整幅图像搜索完.设原始数字图像为f(x,y),图像为灰度图像,每个像

24、素点的信息为8bit.算法实现中使用矩阵pixl grayi,j表示数字图像,i表示图像的行,j表示图像的列,pixl grayi,j的值代表的是灰度图像像素点f(i,j)这一点的灰度值.下面用框图说明列方向阈值分割的过程.设阈值为k、图像高度为m、图像宽度为n.实现的流程图如图3-4数字图像f(i,j)判别边界点i等于ni+1,j=0新一列开始输出边界点NNY图3-4 流程图图像处理就是用一系列特定操作来改变图像的象素，以达到特定的目标，比如使图像更清晰，或从图像中提取某些特定的信息等。从图像处理对图像象素的处理方式上看可以划分为点处理和区域处理两种。点处理是一种输出象素值仅取决于输入象素值

25、的图像处理方法；区域处理的输出象素值不仅与输入的象素值有关，而且与输入象素在一定范围内的相邻象素值有关。 本设计的图像处理主要是为了计算测量 PCB 板的相关参数。在各种工作模式下的测量，都跟图像处理有关。数字图像的边缘检测是图像分割、目标区域的识别、区域形状提取等图像分析领域十分重要的基础，图像理解和分析的第一步往往就是边缘检测。本次设计用 Sobel 边缘检测法为各种测试找出边缘点；在上线宽测量和上下线宽测量中使用最小二乘法来拟合直线，圆孔测量和盲孔测量模式中使用最小二乘法来拟合圆。区域测量模式中用 Ostu 算法得到最佳阈值，进而进行图像分割。接下来就分别阐述这些算法。（1） 边缘检测对

26、图像进行特征提取之前，一般都需要先进行边缘检测，然后再进行二值化处理。对于连续的图像 f（x，y），梯度的方向是函数 f（x，y）变化最快的方向，当图像中存在边缘时一定有较大的梯度值；而图像中较平滑的部分，灰度值变化较小，一般有较小的梯度。本设计主要引用 Sobel 边缘检测法，这种检测方法的算法是一种非线性的边缘检测算法，效率很高，Sobel 算子的模板是 33 的，根据邻域像素与当前像素的距离有不同的权值，一般是距离越小，权值越大。（2） 最小二乘法拟合直线图3-5 实际曲线与拟合直线如图 3-5 示，曲线 2 为实际曲线，设为 y = f (x)。直线 1 为拟合直线，设为 Y = A

27、+ BX。按最小二乘法的求作方法，拟合直线与实际曲线相应点输出量偏差的平方和为最小。数学表达式为 （3-1）确定拟合直线的方程中 A、B 两个常量的值，即确定了直线方程，所以在（3-1）式中 A、B 是作为变量来求解的。分别对 A、B 求偏导数，并令其为零。 得: （3-2）整理得: (3-3)方程组 (3-3)中的 是测试得到的输入输出数据，n 为测试数据组数目。经计算可得数值。代入方程(3-3)，形成关于 A、B 的二元方程，即可得出 A、B 值，则拟合直线方程 Y = A+Bx 求解。5 图像采集处理模块电路设计（1）CIS工作电路设计对于每个 CIS 有两路视频输出信号，三个 CIS

28、共六路视频输出信号,其 CIS 拼接安装以及六路视频信号输出如图 3-6所示。对于每一路视频输出信号，经过放大后再传入 AD9822 芯片中，能充分利用 AD 转换芯片的动态范围，使得采样后的得到的数字信号的值更精确，每一路的放大电路如图3-7所示。图3-6 CIS拼接图图3-7 CIS输出信号放大电路（2） AD9822电路设计系统中 AD9822 的作用是把 CIS 采集到的模拟视频信号转化为数字信号。下图3-8为 AD9822 的原理图设计，系统采集的图像为灰度图，故可以采用单通模式。由于三个 CIS 共输出六路视频信号，这里采用三通道模式，每个通道处理一路视频信号，总共两片 AD982

29、2 便能完成六路视频信号的模数转换。这样，大大节约了芯片数量，降低了成本。图3-8 AD9822电路设计（3） FPGA芯片的电路设计本文选择的 XC3S200AN 芯片是 Xlinix 公司 Spartan-3AN 系列产品，芯片采用了 256 脚的 FTG 封装，具有 200 K 逻辑门，4,032 个等效逻辑单元，448 个 CLBs，1792 个 Slices，28 Kb Distributed RAM，288 Kb Block RAM，16 个专门的乘法器，195 个可用 I/O 管脚，4 个 DCM，4 M 片上 Flash，满足本系统设计的需要。对于 XC3S200AN 的 25

30、6 个引脚分配见下表3-1：表3-1 XC3S200AN 的引脚分配名称个数描述I/O69普通I/OINPUT21输入引脚CONFIG3专用配置引脚DUAL52双用途引脚，可以作为配置引脚，也可以作为I/O引脚CLK32I/O，输入引脚或全局buffer输入JTAG4专用JTAG接口引脚GND28接地VREF21I/O或Bank的输入参考电压VCCO16Bank的输出供电VCCINT6内核电压（+1.2V）VCCAUX4辅助供电（+3.3V）1）系统使用外接 5V 直流电源供电。电路中芯片所需的电源有 3.3V、1.2V 两种，由专用芯片转换而来。 FPGA 所需要的 3.3 V，1.2 V

31、电压，以及 AD9822、XC866 等芯片需要的 3.3 V 的电压输入，均在这里产生。图3-9 电压转换电路2）FPGA与Camera Link接口的电路设计FPGA 缓存处理后的图像信号为 TTL 电平信号，而 Camera Link 接口的标准为低电平差分信号（LVDS），需要将 FPGA 出来的图像信号按 Camera Link 标准转换成低电平差分信号（LVDS）输出，系统采用KM9101 芯片来完成 TTL 电平信号和 LVDS 信号之间的转换，转换接口芯片如图3-10所示。图3-10 转换接口芯片一个接口转换芯片可将 28 位的数据信号（其中 4 个为使能信号，其他为图像数据信

32、号）和时钟信号转换为 4 对符合 TIA/EIA-644 标准的 LVDS 数据流和一对LVDS 时钟信号，其并行数据线按 7:1 的比例转换成串行数据。Camera Link 接口电路图3-11如下图3-11 Camera Link 接口电路3.3.1.2 工作台与机电控制模块工作台系统是检测活动的主要载体，工作时将待检测的 PCB 基板置于工作台上，通过其运动进行检测及检修。由于选用线扫描 CCD 摄像系统，因此对工作台的要求很高。AOI 设备因为显微视场和CCD靶面长度所限，每幅图像显示实际面积很小。为了检测整块板，必须通过扫描的方法，一幅一幅处理。因此工作台必须快速、平稳、精确地移动每

33、一幅的距离，以便对其进行采集处理。工作台每走一步，把同步脉冲信号传到图像采集卡，图像采集卡控制线扫描 CCD 同步曝光，因此对工作台的平稳性、定位精度要求很高。(1) 定位精度的需求分析选择的 8K 线扫描相机像元尺寸为 7 m，最大曝光频率为 18.2 kHz。图像处理算法上要求检测的图像最少要成像在 8 个像素上，当检测 50 m 的线条时选用 7:6 的镜头，每个像素的实际尺寸为6 m。而工作台的定位精度必须小于一个像素，如果误差超过一个像素将对检测结果有着很大的影响，同时当工作台检测完一列后将进行换列，算法上要求这列图像能与前一列图像很好的拼接，不能超出一个像素，这就要求工作台的定位精

34、度必须小于6 m。虽然算法上可以通过校正以降低对工作台的定位精度的要求，而这需浪费一定的处理时间。同时考虑到PCB基板本身制作的误差对取像的影响，提出比较高的定位精度指标，全行程定位精度5 m。(2) 工作速度的需求分析图像采集卡通过获得工作台运动时产生的编码器或光栅尺同步信号控制相机的曝光，以采用 1:1的镜头为例，工作台控制的脉冲当量为 0.5 m，采集卡每计数到 7/0.5=14 时给相机一个曝光控制信号。线扫描相机的最大曝光频率为 18.2 kHz，工作中我们选用 18.0 kHz 的曝光频率，针对检测线路板线宽及线间距的不同，需采用的镜头放大倍数不同，因此工作台的速度也就不同。无论工

35、作台以那种速度运行都要求运行平稳。每检测完一列工作台换列及完成一块板子的检测后进行换板，工作台都要以尽可能大的速度运行以保证设备的效率。在换板时控制工作台的速度在500 mm/s，这也是本系统的速度控制技术指标。1 工作台控制系统设计（1）方案设计工作台控制系统采用主从式控制结构，上位机为工控机，下位机为多轴运动控制卡。采用交流伺服电机驱动，光栅尺位置反馈的结构进行控制。控制结构图见图3-12。这是一种全闭环伺服控制系统，工控机作为上位机给控制卡发送控制指令，同时协调图像处理、数据管理、运动控制的工作，控制卡作为下位机与光栅尺构成位置闭环控制，控制发出的位置命令经驱动器放大后控制电机的运动。可

36、以将运动控制程序下载到控制卡的存储器中，由上位机调用执行，同时控制卡具有逻辑控制功能；交流伺服电机的旋转编码器与电机驱动器构成速度环控制，保证系统速度的稳定性。工控机运动控制卡电机驱动器伺服电机工作台光栅尺旋转编码器速度环位置环图3-12 工作台控制系统结构图（2）伺服电机的选择从容量选择条件，可选FUJI公司GYS751DC2-T2A(750 W)，经计算，电机的惯性矩 JM= 0.85310-4kgm2，电机输出转矩 TR= 2.39 Nm，电机加减速转矩 TAC=7.17 Nm ，额定转速 N = 3000 r/min，带有 217 线增量编码器，配置 RYC751D3-VVT2 伺服驱

37、动器，此驱动器即可以接受脉冲量信号进行位置控制，也可以接收模拟量进行速度控制，驱动器内有先进的速度环 PID 控制器。（3） 控制卡的性能整定控制卡是工作台控制的核心，光栅尺的反馈信号与控制卡形成位置闭环控制。控制卡发位置脉冲量，经过 D/A 转换后输出10 V 的模拟量给驱动器进行速度控制。PMAC控制参数调整是以 I 变量的形式供用户设置。在作系统性能整定之前必须将控制卡的控制 I 变量设置合适的值，以便系统能正常工作。3.3.2 软件系统的设计与调试 3.3.2.1 图像采集卡的驱动程序设计驱动程序设计是本系统软件设计一个相当重要的部分。设备驱动程序是由一系列控制硬件设备的函数组成，它是

38、连接操作系统和系统外部设备的模块，负责给连接到计算机的硬件设备提供软件接口。1. 图像采集卡驱动程序的功能设计图像采集卡驱动程序功能初始化图像采集卡配置图像采集卡所需资源处理用户控制代码处理其他PNP事件处理图像采集卡的停止或拔出图3-13 图像采集卡驱动程序的功能设计设备驱动程序要实现的功能包括：A.图像采集卡插入电脑时，驱动程序处理设备添加例程等相关初始化过程； B.配置图像采集卡所需的所有资源，如内存，I/O，中断等资源； C.处理用户控制代码，如设备启动，停止，从采集卡读数据或写数据到采集卡； D.处理其它的 PNP 事件； E.图像采集卡拔出时，处理设备的停止和删除。2. 图像采集卡

39、的初始化初始化模块包括初始化硬件图像采集卡，分配备文件所需的内存资源，以及初始化数据结构，完成与系统相关的设置。在对图像采集卡进行初始化中包括识别图像采集卡，初始化卡上的 FPGA 芯片，把系统地址映射到 FPGA 芯片中，并把 FPGA 的工作代码写入 FPGA 内置存储器中；设置数据缓冲区用于存放图像数据。设置与系统相关的例程，包括初始化设备属性结构，把中断向量和 ISR 挂上，把图像采集卡与一设备文件名相连，设置系统需要的接口函数。 3. 图像采集卡读取图像的实现读取图像是本次驱动程序一个重要的功能，其流程图如3-14 所示。检查读取的总数据量是否是一个完整的图像判断驱动程序是否正处理另

40、一个IRP包判断系统出现什么问题是否需要退出检查传递来的参数是否有效应用程序发出读取图像请求驱动程序收到一个含有读命令的IRP包提升当前线程中的中断请求优先级调用StartIO函数开始传输图像数据传输完毕完成此IRP，读取图像成功将读取的数据先保存在一个地方结束当前IRP直接完成此IRP，返回一个相应错误的状态码排队IRPNNNNYYYY图3-14 读取图像流程图 （1） CheckParameters 函数检查传递过来的参数是否有效。比如，传递过来的地址指针是否有效，要传递的字节数是否合理等。（2） RaiseIRQL 函数会提升当前线程的中断请求优先级。由于在接下来会对一个非常重要的全局数

41、据(读取数据 IRP 队列)进行操作，所以要保证同一时间只有一个线程可以对其进行存取。对此队列操作完之后，要用 LowerIRQL()函数恢复原优先级。 （3） SystemIsAbort 函数判断系统是否出现什么问题需要退出。如果是，则直接完成此 IRP，返回一个相应错误的状态码。（4） IsProcessing 函数判断驱动程序是否正在处理另外一个 IRP。如果是，则要用 QueueIRP 函数将此 IRP 先存入请求队列的尾部，等待处理。在保存 IRP 之前，要用 IoSetCancelRoutine 函数为 IRP 设定一个取消例程。如果之后驱动程序出现什么问题，数据无法继续传输，系统

42、会取消所有等在队列里 IRP，这时会调用取消例程。4. 图像采集卡驱动程序的调试与测试（1）驱动程序的调试对于用户层程序，我们可以在编译的过程中同时进行调试，很多的集成开发工具对用户层程序调试提供了很好的支持，但是对于处于内核层的驱动程序，程序的调试是一个复杂的过程，驱动程序不能在编译的过程中同时进行设置断点调试，所以必须在运行状态中采用特定的调试工具进行调试。设备驱动程序的调试是一项复杂的工作，一方面表现在设备驱动程序运行在内核层，对设备驱动程序的调试不如用户层程序的调试那么方便，另外一方面，设备驱动程序在调试过程中产生的错误类型是很多的，所以设备驱动程序的调试是一个积累和重复的过程，经验在

43、设备驱动程序的调试中发挥着重要的作用。 （2）驱动程序的测试 在本次设备驱动程序的测试过程中，主要对设备驱动程序作了如下的测试：1. 测试系统能否正确地加载设备驱动程序，如果系统加载了设备驱动程序，我们可以从设备管理器中看到我们的设备。2. 测试驱动程序的派遣例程，主要是测试 IRP_MJ_CREATE、IRP_MJ_WRITE、IRP_MJ_READ、IRP_MJ_CLOSE 三个主功能码的派遣例程，在用户层测试程序中，分别采用 CreateFile、WriteFile、ReadFile、CloseHandle 等 API 来实现，经过测试，证明驱动程序能够正确地响应用户层的请求。3. 在正

44、确地完成驱动程序基本功能的测试之后，需要测试驱动程序是否能执行异步操作，即是否能同时打开多个用户层测试程序对驱动程序进行访问，测试驱动程序是否能有效地响应多个请求。经过测试，在同时打开多个测试程序对设备驱动程序发出请求，设备驱动程序能够正确的应答。3.3.2.2图像处理程序设计四、系统的图像处理算法研究通常情况下，系统获取的图像在形成、传输、接收和处理的过程中，不可避免地存在着外部干扰和内部干扰。各种噪声极大地降低了图像质量，对图像分割、特征提取、图像识别等处理产生不可预料的影响，因而消除噪声在图像处理中占有重要的地位。图像预处理，主要是通过对像素的一些运算提高图像质量，在图像预处理过程中，虽

45、然处理算法简单，但参与运算的数据量大，数据需多次重复使用，因此，图像预处理往往是图像处理系统中最为耗时的环节，对整个系统速度影响较大。由于图像中的所有元素均可施以同样的操作，存在固有的并行性，非常适合于映射到 FPGA 架构中由硬件算法实现，使得图像的预处理速度大大加快。4.1图像噪声的种类通常影响图像质量的噪声源可分成四类：记录在感光片上的图像会受到感光颗粒噪声的影响；图像从光学到电子形式的转换是一个统计过程(因为每个像素接收到的光子数目是有限的)，会产生光电子噪声；处理信号的电子放大器会引入热噪声；图像获取过程中从电力或机电干扰中产生的周期噪声。在数字图像处理中，一般用概率密度函数（PDF）来表示噪声的统计特性。下面举出集中最常见的噪声。(1) 高斯噪声由于高斯噪声在空间和频域中数学上的易处理，这种噪声（也称为正态噪声）模型经常被用于实践中。事实上，这种易处理性非常方便，使高斯模型经常用于临界情况下。高斯随机变量z 的 PDF 为： （4-1）其中， z 表示灰度值， 表示z 的平均值或期望值， 表示z 的标准差。标准差的平方称为z 的方差。（2）指数分布噪声指数噪声的 PDF 可由下式给出： (4-2)其中， a 0。概率密度函数的期望值和方差是： （4-3）和 （4-4）（3）均匀分