基于圖像處理的電路板表觀快速檢測系統的研究

梁曉鈺 李石林 從 浩 連芯玉 樓冠廷

（合肥工業大學，合肥230009）

印刷電路板布線要求嚴格，必須確保電路板布線的線寬、線間距等達到要求，才能保證電路板的質量。越早識別電路板的缺陷，越早減少不合格PCB的數量，才能提高最終產品的合格率，并通過減少產品返廠數量和降低產品報廢率，以降低生產成本[1]。現在常用的檢測方法有人工測試、電測試和光學測試[2]。但是，大多數檢測方法的實現需外接計算機，其便攜性低、耗時長，本文所闡述的檢測系統主要功能的實現全部依靠硬件，其便攜性高、反應速度快，具有廣泛的應用價值，相比較其他檢測方法，其在檢測準確率和可靠性方面有很大的提高，是對智能化的電路板檢測手段的有益探索。

1 系統總體設計

本文所研究的檢測主系統能夠實現電路板表面布線圖的成像與錯誤檢測、實現觸摸屏上的人機交互。該檢測系統功能實現如圖1所示，系統上電后，觸摸屏端由使用者發送運行指令，DsP芯片主控，被控步進電機帶動的XYZ方向導軌運動，被放置在載物臺上的電路板運動到合適位置，Z向移動可自動調焦的OV5640模塊最佳的圖像數據，對采集的圖像數據進行處理，結果送至ARM供TFT觸摸屏顯示。

圖1 檢測系統功能實現

2 系統機械部分的設計

系統機械部分主要包括導軌及其驅動和整個試驗臺的設計。考慮到圖像信息獲取的特點，本文所設計的臺子參考了二維數控工作臺結構特點，在z方向增加一維導軌以實現圖像采集模塊的運動，以得到質量更高的圖像數據。

在以諸多工作臺的設計為參考的情況下，由于市面上有專業的直線導軌模組制造廠商，所以設計過程中，先選擇好整個工作臺所需的直線導軌模組，然后圍繞直線導軌模組進行工作臺建模進行設計[3-4]。為了能夠適應各種面積的電路板，本系統的水平面內XY方向導軌行程定為200mm，為了配合圖像傳感器的合適采樣高度，z向選用行程為100mm的導軌。工作臺的整體設計如圖2所示。

圖2 整體設計

為了實現上述建模，結合導軌模組各部分尺寸和各部分功能實現特點進行建模。在該系統中，導軌選用的是滾珠絲杠1605線性滑臺KR60，電機選用的是兩相57步進電機，步距角為1.8°/步，采用M542H兩相電機驅動器驅動，系統各部分實體零件和裝配精度為±0.5°。

3 系統DSP控制部分的設計

DsP控制是本系統的關鍵部分，該部分主要完成對步進電機的驅動、對CMOs圖像傳感器采集的圖像進行處理以及與ARM主控制模塊的通信等。

3.1 DSP核心板選取

本系統選用了TI公司的TMs320C6748型號的DsP芯片，TMs320C6000系列是TI公司1997年2月推向市場的剛性能DsP，綜合了目前DsP性價比高、功耗低等優點[5-6]。其具有以下優點：TMs320C674x為具有定點和浮點功能的DsP，在典型使用情況下總功耗僅為420MW，適用于便攜產品，廣泛應用于數字通信和圖像處理等領域；內部為哈佛結構，采用專門的乘法器以及流水線操作，采用自身的DsP指令，有可編程定時高速串口接口、多處理器連接接口等，并設置了專門的硬件數據指針的逆序尋址功能，處理速度快。

3.2 DSP內控制程序的實現

3.2.1 滑臺位置控制

根據設計要求，使用DsPTMs320C6748和驅動器驅動兩相J-5718HB步進電機來實現XY方向步進電機運動的驅動。預判拍攝是否完整，如若不完整，則驅動XY向直線滑臺運動相應的步數，將被采樣PCB板移至相機視野范圍內。其中，導軌兩端安裝有限位開關，當滑塊靠近導軌兩端時，該接近開關產生低電平，滑塊停止運動。

3.2.2 圖像處理算法流程

這里對實現電路板布線的圖像處理算法流程進行闡述，如圖3所示。

圖3 圖像處理算法流程

本系統實現電路板布線圖提取和比對所采取的方法如下。

（1）線路提取。將彩色圖像轉換為灰度圖，以減少后續的運算量；對灰度圖G進行線性灰度拉伸，最亮的為背景與一些白色的焊盤，中間灰度的為PCB的覆銅區域，最暗的部分為走線的邊界，通過灰度拉伸將走線突出出來；對圖像進行高斯濾波，濾除高頻噪聲；使用最大類間方差進行閾值分割，根據圖像的灰度特性，將圖像分為前景和背景兩個部分，當取最佳閾值時，兩部分之間的差別應該是最大的。

（2）模板匹配與對比。模板匹配使用的是序貫相似算法（ssDA），使二值化圖像與模板進行對齊[7-8]。序貫相似算法通過計算兩幅圖像的殘差和來度量兩幅圖像的相似度，當殘差和超過閾值時，滑動到下一個位置，以尋找最佳匹配點。將搜索圖與二值化的圖像通過點對齊，相減得到兩幅圖像的差影，再對差影圖像進行形態學開操作，去除圖像中較小的干擾區域，留下的大區域即為圖像的缺陷，對該區域進行紅框標記。

4 人機交互設計

本系統使用sT公司的sTM32F103作為人機交互功能實現的主控CPU，其內核為Cortex-M3，被廣泛應用于人機交互界面的設計，其控制可控觸摸TFT屏模塊實現人機交互功能，所使用的可控觸摸TFT屏模塊是由正點原子開發的7寸觸摸屏模塊，具有以下特點：高分辨率，刷屏達86幀/s，采用電容觸摸屏，支持5點同時觸摸，支持8/9/12/16位8080并口連接，支持16/18/24位色彩深度，支持背光亮度控制，亮度調節方便。

在該部分中，CPU驅動觸摸屏模塊從sD卡中讀取所需

顯示的圖像數據，觸摸屏上控件保持等待被觸摸后，執行報錯和圖像顯示兩項命令。

5 結語

本系統利用單目相機采樣并采用圖像處理的辦法進行PCB板表觀缺陷檢測，其符合現在工業生產檢測的發展趨勢。但是，在實際應用中，圖像匹配算法的改進以及光源的設計仍需進一步考慮。本文提出的系統采用ssAD算法能夠實現圖像匹配，但是實際情況下光源的控制、鏡頭的畸變等因素會造成取樣圖片質量不理想，使其難處理，因此需要進一步優化圖像處理算法并加入光源的設計。這一問題也是本系統進一步研究和改進的方向。