FPC自動安裝設備嵌入式視覺系統設計

馮培聰，陳 安，胡躍明

FENG Pei-cong, CHEN An, HU Yue-ming

（華南理工大學 精密電子制造裝備教育部工程研究中心 自動化學院，廣州 510640）

FPC自動安裝設備嵌入式視覺系統設計

Design of embedded vision processing system on FPC automatic mounting devices

馮培聰，陳 安，胡躍明

FENG Pei-cong, CHEN An, HU Yue-ming

（華南理工大學 精密電子制造裝備教育部工程研究中心 自動化學院，廣州 510640）

視覺處理系統是FPC自動安裝設備的關鍵部分，而成本和國產化程度往往是制約視覺系統在自動生產裝備上應用的重要因素。本文針對FPC自動安裝設備設計了一套基于Blackfin嵌入式DSP處理器的高性能低成本嵌入式視覺處理系統，詳細介紹了視覺處理系統的硬件結構設計、軟件結構設計、處理算法及它們的實現方式。

視覺處理系統；圖像處理；FPC；DSP

0 引言

FPC（柔性印制線路）具有線密度高、重量輕、厚度薄的特點，可在三維空間隨意移動及伸縮。隨著電子設備逐步向小型化和高密度化發展，FPC成為實現電子設備高密度化和高性能化的重要部件，需求量巨大。由于國內的FPC產業起步較晚，生產工藝多為片式（Piece-to-Piece）加工。目前國內對FPC的安裝技術才僅僅是靠手工完成，用于FPC安裝的自動化生產設備基本呈現空白。

視覺系統是應用于SMT生產、FPC自動安裝等高速精密電子制造自動化生產設備的關鍵部件。基于工業PC的視覺系統由于成本高昂而制約了其在自動化生產線上大量使用；而嵌入式視覺系統在國內少有廠商研制和生產，基本依靠國外品牌，基于成本原因也限制了其在國內的自動化生產線上應用。本文針對FPC安裝設備，應用高性價比的Blackfin DSP處理器設計了一個嵌入式高速圖像采集和處理系統。該系統拋棄了基于工業PC+采集卡+工業攝像機這種高成本架構，應用嵌入式技術單機實現了高速圖像采集、處理和簡易的人機交互操作功能。

1 系統工作原理及硬件構成

在FPC安裝設備中，視覺系統實現對FPC基板的精確定位，檢測待安裝元件的姿態，控制執行機構實現元件的自動安裝。同時，視覺系統還需對FPC基板和安裝元件進行基本的質量檢測，防止不合格元件安裝到FPC基板上。

FPC安裝設備與SMT設備類似，都是基于視覺系統進行高速高精度控制的自動生產設備。視覺系統的實時性對這類設備的性能有著重要的影響，如何提高圖像采集和處理的速度也一直視覺系統發展的難點。本文結合高速CMOS面陣傳感器、高性能Blackfin DSP處理器設計的視覺系統，圖像采集和處理速度達到每秒100幀以上，滿足了FPC安裝設備中視覺伺服控制的要求。

圖1 硬件架構圖

系統主要由ADSP-BF531處理器、MT9V022面陣CMOS傳感器、SDRAM、FLASH、TFT液晶顯示屏和DM9000A以太網控制器構成，結構如圖1所示。面陣CMOS傳感器通過PPI和IIC接口直接與處理器連接，傳感器采集到的數據直接存放到SDRAM的圖像緩沖隊列里用于圖像處理。通過掛接在處理器EBIU總線上的TFT顯示屏，操作人員可以實時觀察拍攝到的圖像和進行設置操作。該系統還具有10/100M以太網接口，通過網絡連接即可對該設備進行遠程監控和設置。

1.1 圖像采集單元

系統采用了Micron公司生產的1/3英寸面陣CMOS傳感器MT9V022。該傳感器的有效分辨率為752×480，動態范圍高達110dB，并具有全局快門和全幀讀出模式，能最大限度減少物體移動拍攝產生的模糊和變形現象。傳感器的數據接口直接與ADSP-BF531處理器的PPI接口連接，PPI接口通過傳感提供的行同步、幀同步及像素時鐘信號自動接收數據。處理器使用通用IO口模擬IIC總線對傳感器進行設置，并實時讀出傳感器的工作狀態。該系統集成光源控制和驅動功能，傳感器通過LED_OUT信號控制光源驅動電路進行同步閃光。

圖2 圖像采集單元結構

本系統中，MT9V022工作在全幀曝光的SnapShot模式下。此時，傳感器的采集完全由DSP處理器輸出的Exposure信號觸發，DSP可以控制傳感器在任何時候采集圖像，傳感器收到觸發信號后打開電子快門，產生LED_OUT信號點亮補光燈并進行全幀圖像曝光，曝光完成后關閉電子快門，并順序輸出整幅圖像數據。在該系統中，由于光源采用了同步閃光方式，因此在獲得較高的照明亮度同時也大幅降低了光源和控制器的發熱，提高了光源使用壽命和系統集成度。

1.2 Blackfin處理器應用系統

該系統采用了ADI公司Blackfin系列的ADSPBF531作為算法處理和系統控制的主處理器。Blackfin系列處理器基于ADI與Intel聯合開發的微信號結構（MSA），它兼備一個與通用微控制器相似的32 bit 類RISC指令集和16 bit 雙乘法累加器（MAC），集強大的信號處理性能和易用性與一身。BF531處理器可穩定工作的頻率達到600MHz，能為系統提供高達1200 MMAC的運算能力。在具有強大的運算能力的同時，BF531的售價低至4.5美元，具有極高的性價比。

DSP系統擴展了16M×16bit，共32MBytes的PC133 SDRAM，保證了系統內存帶寬。同時為了精簡電路設計，拋棄了一般嵌入式系統常用的NORFLASH，選用只有8引腳的SPI FLASH存放系統程序。此外，系統還擴展了一片NAND FLASH，可實現大容量任務信息和記錄保存功能。

1.3 顯示與IO單元

作為一個能單機運行的視覺系統，視覺系統具有本機顯示和網絡通信功能。系統選用了一塊常用于智能手機的3.2寸的TFT真彩色液晶模塊作為顯示單元。該模塊具有標準的16bit 8080總線接口，DSP可以通過訪問外部儲存器的方式訪問TFT屏上的顯存和控制寄存器，鏈接方式如圖3所示。DSP與TFT LCD模塊通過異步內存總線接口鏈接，作為總線上的一個內存設備占用總線的一個設備片選，并映射為內存地址上的一個區域。

圖3 顯示單元連接

這里選用了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。其與DSP的鏈接方式與TFT LCD類似，這里不再詳細敘述。

由于采用了總線方式鏈接處理器和各個外設，處理器可以通過Memory DMA方式與液晶屏和以太網控制器交換數據，節省了大量的CPU時間，保證了界面更新、以太網應用和圖像處理同步進行。

2 軟件架構及處理算法設計

在嵌入式系統中，一般只有一個處理器，但卻通常包含通信、算法、人機界面等多個處理需求。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降低開發難度。高速視覺系統對實時性有較高的要求，且由于Blackfin不帶有內存管理單元（MMU），因此通常有uCLinux和uC/OS這兩個系統可供選擇。這里我們選擇了CPU資源占用較低的uC/OS系統。

2.1 uC/OS II及uC/TCP-IP在Blackfin上的應用

該方案采用了Micrium公司的uC/OS II操作系統，這里采用較為成熟的2.86版本進行開發。移植uC/OS時，一般只需根據實際使用的處理器核心類型編寫os_cpu.h、os_cpu_c.c、os_cpu_a.asm這三個與CPU相關的文件，改寫與硬件相關的處理器中斷、堆棧操作和任務切換等關鍵代碼。Micrium公司提供了官方的參考移植例程，這里不再詳細敘述移植過程。在這里，我們設置系統的時間片（Tick）為1ms以保證系統有較好的實時性。

uC/TCP-IP是專門為uC/OS操作系統編寫的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。uC/TCPIP作為專門為嵌入式實時系統設計的TCP/IP協議棧，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 軟件系統總體設計

視覺系統的控制和處理程序主要由圖像采集、算法處理、系統狀態控制與人機界面、以太網通信、串口通信五大任務構成。應用uC/OS操作系統進行統一調度管理，五個主要任務可以并行運行，相互獨立。系統軟件架構如圖4所示。

圖4 軟件架構圖

視覺系統的采集任務和算法處理任務分別占用設置在SDRAM上不同的內存bank區域的視頻數據緩沖區，以減少SDRAM的訪問延遲。系統進行圖像算法處理的同時，即進行下一幀圖像采集和預處理，用戶界面也會實時顯示采集到圖像和處理結果。與此同時，視覺系統也會實時響應以太網和串口的數據通信。

由于各個任務間的協調和緩沖區切換主要應用uC/OS系統的信號量和消息機制達成，當一個任務請求一個緩沖區或數據但另外的任務還在占用的時候，該任務將自動掛起，把運算能力分配到其他任務。通過uC/OS實時操作系統的應用，視覺系統的各個任務得以相互協調，并充分利用處理器的運算資源。

2.3 圖像處理算法

該系統中，圖像處理算法的任務主要包括如下三種：

1）對FPC板件進行精確定位，定位結果作為之后的自動安裝和質量檢測算法的基準坐標。

2）根據定位結果生成運動控制指令，控制執行機構進行自動貼裝。執行機構運動過程中，根據圖像處理進行動態的伺服矯正。

3）檢測FPC基板和貼裝元件的質量，控制相應機構排除不合格元件。

3 實驗結果

以下為FPC基板橫向高速運動時視覺系統拍攝的圖片。實驗采用了焦距為15mm的鏡頭，使用同軸光源正面照射FPC基板，并使用了系統集成的光源控制功能。

圖5 實時拍攝圖像

由實驗圖片可見，得益于全幀曝光CMOS傳感器配合系統集成的高強度同步閃光光源的應用，拍攝圖像清晰且無明顯的動態模糊和變形現象。實驗中設定FPC基板上定位孔作為定位基準。

實驗時處理器的工作頻率為540MHz，在設定同時運行FPC板件定位控制及多個區域的質量檢測算法后，實測檢測速度穩定在每秒100幀，處理器占用率不超過50% 。實驗結果證明該系統完全滿足FPC安裝設備的視覺應用要求。

4 結論

本文從視覺系統硬件結構的設計及選型上優化圖像采集和處理的質量與效率，提高了視覺系統的集成度，降低生產成本；應用成熟的嵌入式實時操作系統優化系統軟件結構，在保證視覺系統處理速度的前提下，實現單機多任務處理。可見，將該系統應用于FPC自動安裝設備中能獲得較高效益，促進FPC自動安裝設備的國產化，提高國內FPC生產行業的自動化水平。

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

[2] 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.

[3] Analog Devices.ADSP-BF533 Blackfin?Processor Hardware Reference[M].Norwood, Mass,2009.

[4] 方正.基于Blackfin處理器的視頻監控的實時性改進[J].電腦開發與應用,2009(01).

TP391.4

B

1009-0134(2010)10(下)-0038-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.10(下).12

2010-02-08

國家自然科學基金重點項目“面向精密電子組裝生產線的關鍵視覺檢測與優化控制問題研究”（ 60835001）

馮培聰（1985 -），男，廣東人，碩士研究生，研究方向為嵌入式系統與機器視覺檢測。