大功率LED光學透鏡扣帽機飛行視覺系統

蘇文友，陳 安，胡躍明

（華南理工大學 精密電子制造裝備教育部工程研究中心，廣州 510640）

0 引言

近幾年，在科技部、信息產業部等的大力引導下，半導體照明產業人氣鼎盛，其中LED封裝業由于進入門檻相對較低，吸引了大批資金，取得了可喜成績，新型LED器件不斷涌現，大功率LED器件封裝水平接近國際先進水平并可量產。但一個不爭的事實是我國LED封裝業裝備依賴進口，企業規模不夠大，封裝工藝研究投入不足，工藝水平總體不高。這種狀況嚴重制約了產業的發展[1]。

目前，Luxeon支架式封裝作為大功率LED的基本封裝形式被廣泛采用，這種技術采用表面貼裝技術。在Luxeon式封裝中，芯片一般通過合金焊料固晶鍵合在金屬熱沉上，芯片的陽極和陰極通過金線鍵合到獨立的引線框架上。利用聚碳酸酯(Polycarbonate PC)制成的光學透鏡扣在LED框架頂部，在光學透鏡和LED框架之間用柔軟的硅膠材料進行填充。這里需要解決的關鍵問題是，由于此處的光學透鏡外邊緣有注膠孔位和排氣孔位，需要將光學透鏡精確地扣在LED框架的對應位置上。目前國內大都利用人工或非視覺機械方式完成，效率低，精度不高。本文正是針對此情況進行了光學透鏡扣帽機的飛行視覺系統設計，提高生產效率。光學透鏡及其安裝方式如圖1所示。

圖1 光學透鏡及其安裝方式

光學透鏡扣帽機的工作原理是吸嘴吸取振動盤送來的光學透鏡，然后送到視覺系統對吸取的光學透鏡底部掃描成像。由于使用合適的吸嘴保證了吸取的光學透鏡縱向傾斜角度α為0，所以只需考慮橫向旋轉角度β。視覺系統計算出光學透鏡橫向旋轉角度后向執行機構發出旋轉指令信號，執行機構最后將光學透鏡精確扣在LED框架的對應位置上，完成扣帽工作。

本文針對當前國內LED封裝生產設備中對大功率LED光學透鏡的自動安裝需求，應用高性價比的Blackfin DSP處理器設計了一套嵌入式高速高精度圖像處理系統。本系統摒棄了傳統的PC視覺系統方案，應用嵌入式技術單機實現了高速圖像采集和處理，多任務執行和簡易人機交互的操作功能。

1 系統硬件結構設計

系統主要由ADSP-BF533處理器，線陣CCD傳感器TCD1209D及相應的驅動IC（如CPLD和CSP），SDRAM，FLASH，鍵盤串口通信，VGA控制器和DM9000A以太網控制器構成，系統總體硬件結構如圖2所示。

圖2 系統總體硬件結構框圖

1.1 Black fin DSP處理器應用系統

該系統采用了ADI公司Blackfin系列的ADSPBF533作為圖像采集和系統控制的主處理器。Blackfin系列處理器采用基于Intel和ADI聯合開發的微架構（MSA），一種集成了微控制器（MCU）和DSP功能的高性能器件，兼備一個32位RISC型指令集和雙16位乘法累加器，使其集強大的信號處理性能和易用性于一身。BF533處理內核能以最高600MHz的指令執行速率運行，使系統具有1200MMAC的運算能力；還具有并行外設接口PPI，支持ITU-R 656 視頻數據格式，易于圖像數據的接收。

系統擴展了一片16M×16Bit共32MB的PC133 SDRAM，保證系統的內存使用要求。同時，系統采用8引腳SPI工作方式的FLASH用于程序存儲，比一般的NORFLASH體積小，以精簡電路設計。此外，系統還擴展了一片NAND FLASH，可實現大容量任務信息記錄功能。

1.2 圖像采集單元

系統采用了THOSIBA公司的高速線陣CCD傳感器TCD1209D，其具有2048個有效像素單元，行掃描頻率可到10000Hz。本方案采用ALTERA公司的CPLD產生線陣CCD的驅動時序。同時，采用TI公司高性能的CSP（CCD Signal Processor，CCD信號處理器）芯片VSP1021對CCD信號進行采樣。CSP包括三個主要模塊：相關雙采樣（CDS），可編程增益放大器（PGA）和高性能ADC。

相關雙采樣是根據CCD輸出信號和噪聲信號的特點而設計，它能消除復位噪聲的干擾，可以顯著改善信噪比，提高信號檢測精度。所采用的CSP提供了一個分辨率為10位、增益范圍為0dB－36dB的可編程增益放大器，增益系數可通過串口配置CSP相應寄存器設置。同時，CSP內含一個高速，低功耗的ADC，實現CCD模擬信號采樣。

這里CPLD同時完成線陣CCD的驅動時序和CSP的采樣時序，最后圖像數據通過BF533視頻接口接收。

1.2.1 CCD驅動程序設計

采用的線陣CCD需要6路驅動信號才能正常工作，分別是兩互為反相的時鐘信號CR1和CR2、信號輸出時鐘信號φ2B與CR2同頻、像元復位信號RS、像元鉗位信號CP和行轉移同步信號SH。各個驅動信號必須嚴格按照CCD相位時序要求，才能保證CCD的正常工作。CPLD通過計數分頻的方式可以方便的得出CCD的驅動信號。為提高信號輸出驅動，這些信號事先反相后再經過反相器輸出。

同時CSP需要一些驅動信號，主要包括像素時鐘信號ADCCLK，相關雙采樣信號SR、SV，光學暗電平校正信號OBCLP，鉗位控制信號CLAMP。這些信號由同一片CPLD提供，按照時序要求和CCD的模擬輸入信號的有效信號（2048個像素）的時間段給出CSP的驅動信號，最后直接轉換為CCD有效數字信號。

得出的CCD有效數字信號送回CPLD，再由CPLD輸出行同步HSYNC，場同步VSYNC，像素時鐘PCLK和像素數據D7-D0，最后通過BF533的視頻接口PPI接收并以DMA的方式存儲在BF533的SDRAM中完成圖像采集。CCD和CSP的驅動時序如圖3所示。

1.2.2 CCD圖像采集參數設置

實際應用中需要根據檢測要求調整CCD的行頻率，可通過增加光積分時間實現，即增加CCD輸出啞像元的個數。

圖3 CCD和CSP驅動時序圖

系統設置兩種方式調整CCD的行頻率。一種是內觸發方式，通過寫入CPLD內部相應寄存器的值以調整光積分時間，調整范圍可達1K～10K。另一種是外觸發方式，可根據生產線中給出的速度同步信號進行行頻率的自動調整，速度同步信號頻率不一定適合CCD行頻率，此時可對速度同步信號分頻以降低行頻率，分頻比的設置與設置光積分時間同理。

系統通過設置CSP的增益系數可調整CCD的曝光增益。所有參數設置采用模擬SPI的方式，利用DSP的三根IO線，分別用于時鐘線SCK、數據線SDA和片選線CE，通過發送地址 + 數據的形式，可分別對CPLD和CSP內部寄存器的值進行設定。當CE為高時，設置CPLD；CE為低時，設置CSP。只用三根IO線即可分別對兩片IC進行參數設置，減少了處理器IO資源的利用。

1.3 圖像顯示與控制

本視覺系統設計了一個簡單的人機交互界面，具有VGA輸出顯示和以太網通信功能，操作人員可以根據外接顯示器觀察拍攝的圖像效果并利用鍵盤與DSP串口通信進行參數設置，或通過網絡連接方式遠程監控和設置系統。

構建的VGA控制器結構框圖如圖4所示，利用成本低的CPLD+SRAM+DAC的方案實現。該控制器具有標準的16bit 8080總線接口，DSP通過異步總線接口EBIU與VGA控制器鏈接。VGA控制器占用異步總線的一個片選單元，并映射到固定的一段內存區域。DSP把要顯示的內容寫入這段內存區域，等到要顯示內容的時候通過Memory DMA的方式把顯示數據發送到VGA控制器，由VGA控制器完成顯示器上界面的動態刷新。

系統以DM9000A作為以太網控制器。DM9000A單片集成了10/100M以太網MAC和PHY，帶硬件IP/TCP/UDP校驗和生成功能，具有較高的集成度和性能。通過網絡連接即可對系統進行遠程監控和設置。由于其與DSP的鏈接方式與VGA控制器類似，這里不再詳細敘述。

由于采用了Memory DMA的方式發送數據，保證顯示器界面更新的同時，也節省了大量的CPU時間。

圖4 VGA控制器結構框圖

2 軟件框架設計及處理算法設計

在嵌入式處理系統中，往往具有多個任務同時運行的情況，使用成熟的嵌入式操作系統管理各個任務有助于提高系統的穩定性和實時性，還可降低開發難度。 由于Black fin處理器不帶內存管理單元（MMU），不能運行像Linux之類的大型操作系統，如uC/OS II、uCLinux就比較適合本系統的應用。這里我們采用資源占用較少的uC/OS II系統。

2.1 uC/OS II及uC/TCP-IP在Black fin上的應用

uC/OS II操作系統的移值，一般是根據相應處理器的硬件特性編寫os_cpu.h、os_cpu_c.c、os_cpu_a.asm這三個與CPU相關的文件，主要是改寫與硬件相關的任務堆棧操作、CPU中斷處理、任務切換等關鍵代碼。根據Micrium公司提供的參考移值例程，可以很方便地將uC/OS II操作系統移值到Blackfin BF533處理器中。這里采用較為成熟的2.86版本進行開發，并設置時間片（TICK）為1ms，以滿足實時處理要求。

uC/TCP-IP作為專門為嵌入式實時系統設計的TCP/IP協議棧，可與uC/OS II無縫結合，無需進行移植即可使用，大大縮短了開發周期,在8bit/16bit/32bit處理器上都有較高的運行效率，并且與BSD協議兼容，易于移植已有的網絡應用程序。

2.2 軟件總體架構設計

本視覺系統在軟件部分主要由圖像采集、圖像處理、串口通信、人機界面和以太網控制等五個任務構成，以實現系統的控制和處理工作。各個任務由uC/OS II操作系統統一管理，按照設定的優先級進行任務調度。各任務之間可以并行運行，相互獨立。系統總體軟件架構如圖5所示。

圖5 軟件總體架構框圖

各個任務之間主要應用uC/OS II系統的信號量通信機制進行協調工作，能有效避免多個任務對同一段內存區同時訪問，當一個任務請求訪問內存區而此內存區被另一個任務占用時，則該任務將自動掛起，空出CPU運算資源以分給其他任務使用。

由于圖像采集和圖像處理需要頻繁訪問SDRAM的內存數據，將采集和處理的圖像數據分別設置存放在SDRAM上不同的內存BANK中，以減少SDRAM的訪問延遲。系統在處理當前幀的同時也開始采集下一幀圖像，人機交互界面也會實時顯示采集的圖像。與此同時，系統也會實時響應以太網和串口數據通信。

2.3 圖像處理算法

光學透鏡旋轉角度識別的圖像處理算法步驟：

1）圖像分割，由于目標與背景對比度高，故采用全局閾值分割算法即可，如圖6（b）所示。

2）邊界提取，采用八相鄰域邊界跟蹤算法，如圖6（c）所示。

3）對邊界信息利用平均值求取中心坐標并得到平均半徑。

4）提取距離超過平均半徑的邊界點，即光學透鏡兩端圓弧邊界，如圖6（d）所示。

5）對圓弧邊界采用文獻[6]方法，為提高精度，利用多組數據求平均的方法得到兩圓弧的圓心坐標，如圖6（e）所示，其中位于中間十字為邊界的中心，長度為平均半徑，兩端十字為兩圓弧圓心位置。

6）根據兩圓心坐標計算光學透鏡旋轉角度。

本算法利用邊界特征信息，對內部光照不均、反光等非特征部分無關，穩定性好，且邊界數據信息少，速度快。

圖6 圖像處理結果

3 實驗結果

實驗時視覺系統對高速運動的LED光學透鏡底部進行圖像采集。為測試角度測量精度，采用文獻[7]提出的邊界特征匹配算法與本文算法作了比較，得到部分試驗數據如表1所示，其中A代表基于邊界特征匹配算法，B代表本文利用圓弧圓心坐標測量角度的識別算法。

由上表可以看出，采用基于邊界特征匹配算法對于LED光學透鏡的角度測量，測量精度不夠高，且不穩定。而本文提出的角度識別算法精度穩定在0.2°以內，已經滿足了LED光學透鏡扣帽機對于角度測量的精度要求（0.2°），而且在速度和穩定性方面比前者好。

表1 兩種算法的比較

4 結束語

本文針對當前國內LED封裝生產設備中對LED光學透鏡的自動安裝需求，應用高性價比的Blackfin DSP處理器設計了一套嵌入式高速高精度圖像處理系統。本文通過精簡硬件結構和合理的硬件選型以提高系統性能，并應用嵌入式實時操作系統uC/OS II提高系統的實時性并實現多任務處理?，F場生產過程表明，本系統性能穩定可靠，而且體積小，成本低，已經滿足實際LED封裝生產設備對LED光學透鏡的自動安裝要求，同時也促進了LED自動安裝設備的國產化，提高國內LED封裝生產行業的自動化水平。

[1] 王垚浩.LED封裝必須重視設備和工藝研究[N].中國電子報,2005.

[2] 陳峰.基于Black fin DSP的數字圖像處理[M].北京:電子工業出版社,2009.

[3] 任哲.嵌入式實時操作系統uC/OS-II原理及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005.

[4] ADSP-BF533 Black fin?Processor Hardware Reference [M].Analog Devices Inc,2009.

[5] 王慶有.圖像傳感器應用技術[M].北京:電子工業出版社,2003.

[6] 段小武.巧求三點外接圓圓心[J].電腦開發與應用.2002(08).

[7] 黃恢樂,胡躍明,袁鵬等.高速高精度全自動貼片機的元件角度識別算法[J].計算機工程與應用.2005.