基于嵌入式的電路板檢測(cè)系統(tǒng)

彭粵龍 王佳 呂浩軒 李華岳 周月霞

摘要：在電子設(shè)備尤其是PCB板的生產(chǎn)過(guò)程中，大部分生產(chǎn)板檢測(cè)都是人工在線檢測(cè)的，并且傳統(tǒng)的人工目測(cè)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)精度越來(lái)越高的PCB板表面檢測(cè)分析和統(tǒng)計(jì)。針對(duì)該問(wèn)題，利用目前熱門且成熟的嵌入式技術(shù)、圖像檢測(cè)和處理技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于嵌入式的PCB電路板檢測(cè)系統(tǒng)，把PCB板檢測(cè)程序運(yùn)行于嵌入式開(kāi)發(fā)板上，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)性的、空間資源占用小的嵌入式系統(tǒng)檢測(cè)功能。

關(guān)鍵詞：電路檢測(cè);圖像處理;嵌入式

引言

在工業(yè)pcb板產(chǎn)品大批量生產(chǎn)安裝過(guò)程中，像面板漏焊、極性元件倒置、漏插等存在安裝中的質(zhì)量安全問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，而客觀地對(duì)生產(chǎn)pcb板安裝表面形貌狀況進(jìn)行質(zhì)量評(píng)判也就成為了一項(xiàng)愈加重要的技術(shù)任務(wù)。傳統(tǒng)的工業(yè)人工單板目測(cè)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)精度越來(lái)越高的人工pcb板的自動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，不但可能存在單板檢測(cè)元件質(zhì)量由于人為因素造成影響大，勞動(dòng)強(qiáng)度高，工作效率低等復(fù)雜問(wèn)題，而且對(duì)于批量大、板上檢測(cè)元件多的人工pcb板自動(dòng)測(cè)試安裝檢測(cè)流水線而言每每人工單板目測(cè)需要進(jìn)行一個(gè)pcb板自動(dòng)檢測(cè)也是不現(xiàn)實(shí)的。針對(duì)這一技術(shù)不足，采用基于一種嵌入式的視頻圖像信號(hào)處理軟件技術(shù)的方法來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了pcb板上各種元件直接安裝后的質(zhì)量安全檢測(cè)管理系統(tǒng)，用于生產(chǎn)工序質(zhì)量檢測(cè)，既實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確、高效的PCB板表面檢測(cè)方法也十分符合PCB生產(chǎn)廠家的需求。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該操作系統(tǒng)主要是基于利用自動(dòng)嵌入式linux操作系統(tǒng)在平臺(tái)實(shí)驗(yàn)板上自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)主板pcb板的相關(guān)元件、線路的圖像統(tǒng)計(jì)與信號(hào)檢測(cè)的，分為硬件平臺(tái)、實(shí)施系統(tǒng)資源應(yīng)用管理的自動(dòng)嵌入式操作系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)圖像信號(hào)處理分析算法的系統(tǒng)應(yīng)用管理軟件三個(gè)組成部分共同組成。

嵌入式操作系統(tǒng)為所有底層驅(qū)動(dòng)硬件用戶提供所有驅(qū)動(dòng)軟件支持、任務(wù)運(yùn)行管理、內(nèi)存任務(wù)管理、中斷任務(wù)管理以及首先完成上層硬件的驅(qū)動(dòng)初始化，接著通過(guò)嵌入操作系統(tǒng)自身提供的硬件任務(wù)運(yùn)行管理功能模塊進(jìn)行分配內(nèi)存、將圖像采集后得到的所有圖像音頻信息實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到圖像存儲(chǔ)器的一個(gè)視頻顯示緩沖區(qū)，再通過(guò)實(shí)時(shí)軟件處理算法將寫(xiě)入顯示視頻緩沖區(qū)的所有圖像音頻信息實(shí)時(shí)寫(xiě)入到lcd顯示緩沖區(qū)中，實(shí)現(xiàn)所有圖像的高速實(shí)時(shí)視頻顯示，最后通過(guò)實(shí)時(shí)圖像信息處理軟件算法將顯示緩存區(qū)存儲(chǔ)中的所有圖像信息進(jìn)行音頻編碼、圖像信息處理及視頻存儲(chǔ)。

應(yīng)用算法軟件程序是專門針對(duì)各種目標(biāo)圖像需求設(shè)計(jì)編寫(xiě)的一個(gè)專用程序，用于設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)各種圖像信號(hào)處理中的算法，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)PCB板的線路、元件統(tǒng)計(jì)和檢測(cè)。具體流程是：PCB圖像預(yù)處理->焊盤檢測(cè)->導(dǎo)線信息檢測(cè)->統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)->誤差定位。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)軟件整體流程的設(shè)計(jì)

統(tǒng)管理軟件設(shè)計(jì)主要就是考慮到系統(tǒng)的一個(gè)整體工作流程和整個(gè)圖像質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)功能如何建立的。系統(tǒng)運(yùn)行軟件操作總體系統(tǒng)運(yùn)行操作流程如上圖所示如下圖圖2所示，當(dāng)您在系統(tǒng)主機(jī)上的省電模式啟動(dòng)后，將需要進(jìn)行一些初始化視頻操作，例如初始和優(yōu)化視頻串口、初始化視頻攝像頭、初始化led閃光燈等，并且系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟一個(gè)線程，用于實(shí)時(shí)接收攝像頭采集到的圖像并顯示在LCD屏幕上。初始化完畢之后，系統(tǒng)會(huì)打開(kāi)LED燈已保證圖像采集后實(shí)時(shí)顯示的光亮清楚和圖像檢測(cè)的精度，之后打開(kāi)攝像頭不斷地采集LED燈光下固定位置的圖像。利用OpenCV中的CascadClassifier檢測(cè)分類器，當(dāng)圖像中沒(méi)有電路板時(shí)系統(tǒng)不會(huì)進(jìn)入檢測(cè)分析模式，只會(huì)顯示到開(kāi)發(fā)板LCD屏幕上，而一旦捕捉檢測(cè)到了采集圖像中的電路板，系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)入檢測(cè)分析模式，分析符合說(shuō)明電路板無(wú)誤，否則有誤，并定位出異常區(qū)域。

2.2系統(tǒng)檢測(cè)分析步驟

圖像預(yù)處理：首先將采集到的圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖，將電路板以外的邊緣背景剪切，利用均值濾波前對(duì)圖像進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕翟耄瑸榱嗽黾訄D像檢測(cè)時(shí)的對(duì)比度，需要對(duì)灰度圖采用適當(dāng)?shù)匿J化處理。

PCB元件和導(dǎo)線檢測(cè)：利用基于邊緣檢測(cè)的霍夫變換圖像全局特征將邊緣像素組成區(qū)域封閉邊界的一種方法，識(shí)別圖像中矩形和圓形實(shí)現(xiàn)PCB板檢測(cè)，從而分析PCB板的形狀和數(shù)量以及元器件的類型和個(gè)數(shù)。利用Hilditch細(xì)化算法來(lái)獲取PCB板線路中心線，利用從中心線做垂線的方法檢測(cè)線寬。

統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)：對(duì)上述檢測(cè)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)板的數(shù)據(jù)對(duì)比，可以分析出檢測(cè)板的質(zhì)量好壞，數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)值偏離在一定范圍內(nèi)，認(rèn)為PCB的誤差是可接收的，否則認(rèn)為PCB存在缺陷。

錯(cuò)誤定位：將缺陷檢測(cè)板圖像通過(guò)標(biāo)識(shí)、角度旋轉(zhuǎn)后得到與標(biāo)準(zhǔn)板圖像相同的大小、位置和角度，將兩張圖像預(yù)處理后得到二值圖像并異或，有誤差的地方將會(huì)以明顯的且聚集的白色狀顯示出來(lái)，此狀即為檢測(cè)板出現(xiàn)誤差的位置。

3系統(tǒng)主要硬件模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要的核心硬件控制模塊基本結(jié)構(gòu)如波形圖3所示，系統(tǒng)中的主控控制模塊由基于cccortex-a53架構(gòu)的fls5p6818芯片組和集成了在flash中的存儲(chǔ)器并進(jìn)行下載之后嵌入到flinux中的系統(tǒng)模塊構(gòu)成，。基于Linux系統(tǒng)就可以通過(guò)其中的文件系統(tǒng)很方便地打開(kāi)相關(guān)設(shè)備驅(qū)動(dòng)，如攝像頭、LCD顯示屏，配置系統(tǒng)的環(huán)境變量就可以利用OPenCV動(dòng)態(tài)庫(kù)運(yùn)行基于OPenCV庫(kù)的圖像檢測(cè)分析程序。

燈光模塊用來(lái)照明以及調(diào)整圖像采集時(shí)的亮度，連接到嵌入式系統(tǒng)主控模塊，通過(guò)GPIO口使能燈光開(kāi)關(guān)，通過(guò)GPIO口復(fù)用的PWM功能調(diào)整燈光的亮度。

攝像頭模塊用于采集圖像，鏡頭固定對(duì)準(zhǔn)檢測(cè)時(shí)電路板擺放的位置，背景為了防止反光采用黑色幕布，方便圖像預(yù)處理時(shí)剪切。攝像頭鏡頭可以通過(guò)手動(dòng)調(diào)焦以應(yīng)付不同大小的電路板檢測(cè)。

LCD顯示屏模塊用于實(shí)時(shí)顯示攝像頭采集到的圖像，方便人員實(shí)時(shí)調(diào)整和監(jiān)控。

電機(jī)模塊用于將檢測(cè)完的電路板移出檢測(cè)范圍，并移入下一個(gè)檢測(cè)電路板，以模擬工廠生產(chǎn)時(shí)的流水線工程（圖1）。

5結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目以嵌入式系統(tǒng)為控制核心，結(jié)合Linux系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)、LCD顯示屏、攝像頭等設(shè)備開(kāi)發(fā)，只需要將需要檢測(cè)的電路板放置在步進(jìn)電機(jī)的移動(dòng)帶上，便可以將多個(gè)電路板逐個(gè)檢測(cè)分析，并將錯(cuò)誤的板子中的異常定位出來(lái)。這一功能的實(shí)現(xiàn)，既為電路檢測(cè)帶來(lái)更大的遍歷，同時(shí)也降低了在電路檢測(cè)這一方面的資源開(kāi)銷浪費(fèi)。

參考文獻(xiàn)

[1]夏成蹊，楊晨，趙雪，丁召.基于圖像處理的PCB板表面檢測(cè)分析研究[J].電視技術(shù)，2018，42（08）：28-32.

[2]李天宇.基于機(jī)器視覺(jué)的PCB元器件在線檢測(cè)[D].浙江理工大學(xué)，2018.

[3]王艷衛(wèi).基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的線路板缺陷檢測(cè)技術(shù)研究[D].河北工業(yè)大學(xué)，2007.

[4]周琪琪，孫一蘭，王詩(shī)宇，鄭飂默.基于圖像分割的芯片定位在檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2020（08）：114-117.

[5]陸曉. PCB板元器件在線實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)研究[D].浙江理工大學(xué)，2020.