石英晶片外觀缺陷自動分選控制技術研究

張潔，李東，王艷林（北京信息科技大學 儀器科學與光電工程學院，北京100192）

石英晶片外觀缺陷自動分選控制技術研究

張潔，李東，王艷林
（北京信息科技大學 儀器科學與光電工程學院，北京100192）

石英晶片外觀缺陷自動分選系統使用ARM處理器作為主控制器，通過控制步進電機來實現對機械臂、料盤和出料桶的控制。采用ARM與PC機相結合的方式對石英晶片進行定位和分選，ARM控制器與PC機之間采用USB總線接口方式進行數據傳輸，顯著提高了運行速度。經驗證，本課題實現了對石英晶片自動分選設備的精確控制，其研究成果對于推動我國石英晶片自動分選設備的國產化具有重要的意義。

石英晶片；外觀缺陷；控制技術；ARM處理器；自動分選

石英晶體諧振器（以下簡稱石英晶體）具有頻率穩定性好、品質因數高、可靠性好等優點，因此被廣泛的用作為電子產品提供同步脈沖和時間頻率基準。伴隨著電子信息產業的快速發展和科技的進步，石英晶體元器件的市場需求量也急劇擴大。石英晶片是石英晶體封裝前的半成品，在生產過程中難免有部分石英晶片出現崩邊、缺角、污垢以及劃痕等外觀缺陷，而這些外觀缺陷又會對石英晶片的頻率穩定度產生或大或小的影響，進而影響其制成的石英晶體元器件的精度，因此在封裝前要先剔除這些帶缺陷的石英晶片。

美國S&A公司生產的W-940A是典型的石英晶片自動分選機，250B軟件對石英晶片的電參數進行快速準確的測量，該儀器的分選速度可達每小時1 600片，但是價格昂貴，元器件不容易更換，維修不方便。我國目前的石英晶片分選設備主要是南京熊貓機電和丹東市東方晶體儀器有限公司開發的，這些設備都是借鑒國外的先進理論自主創新研發的，和國外的設備相比，這些設備都停留在比較低的水平。本課題組多年來在石英晶片外觀缺陷檢測算法研究［1］、石英晶片電參數分選控制系統設計［2］、雙通道石英晶體快速測量技術方法研究［3］等方面取得了重要成果。隨著表貼技術的飛速發展，石英晶片的體積越來越小，產品更新換代越來越快，這就對石英晶片自動分選控制技術的速度和精度提出了越來越高的要求。而我國的控制技術跟國外先進技術相比仍存在很大差距，這是國產分選機與國外設備差距較大的重要原因之一。本課題的研究對于提高我國石英晶片外觀缺陷自動化檢測水平具有重要的意義。

1　石英晶片外觀缺陷分選系統整體設計

1.1石英晶片外觀缺陷分選系統概述

石英晶片外觀缺陷分選系統由計算機、USB接口電路、ARM控制器、CCD工業相機、機械臂、料盤等器件構成。系統包括定位單元和分選單元兩大模塊?？傮w框架圖如圖1所示。

圖1　石英晶片分選控制系統總體框架圖

本系統啟動后首先通過CCD相機對系統料均勻散落的石英晶片進行拍照，通過相應算法對要拾取的石英晶片進行定位，然后機器臂將定位后的石英晶片拾取到固定區域進行拍照。將拍照得到的石英晶片圖像傳輸到計算機以后利用圖像處理［4］的方法完成對石英晶片外觀缺陷的檢測和分選。最后由ARM控制器實現對機械臂的精確控制完成對石英晶片的分選。

1.2石英晶片定位系統

石英晶片定位系統是石英晶片外觀缺陷自動分選系統的重要組成部分，硬件主要包括照相機、入料桶、料盤、機械臂、計算機等部件，軟件系統是通過VS 2010利用C++編程語言進行編程。

石英晶片定位系統的工作原理是：首先系統通過CCD相機獲取檢測平臺上待檢測石英晶片的圖像，并將圖像通過USB傳輸到計算機中以BMP格式存儲，然后利用數字圖像處理技術對采集到的圖像進行去噪、二值化、邊緣檢測、輪廓檢測等圖像處理操作［5］，最后計算出圖像中各個石英晶片的中心像素坐標。計算機根據石英晶片的中心像素坐標，計算出料盤應轉動的角度，ARM控制器通過控制料盤轉動該角度將石英晶片移動到預定位置坐標，等待分選系統機械臂拾取。圖2為定位系統實物圖。

圖2　定位系統實物圖

1.3石英晶片分選系統

石英晶片外觀缺陷分選系統主要由計算機、USB接口、ARM控制器、兩個機械臂和CCD相機組成。ARM處理器將控制信號轉化為硬件電路的電平信號，電平信號經過驅動電路的處理后驅動振動盤、機械臂、料盤等動作。從圖3可以看到CCD相機獲取的圖片通過USB傳送給計算機，計算機通過圖像處理技術，按照一定的算法，判定石英晶片是否存在缺陷，機械臂在控制系統的作用下實現對石英晶片的自動分選。系統結構俯視圖如圖3所示。

石英晶片在入料桶轉動過程中將石英晶片送入到1號料盤上，通過定位系統的照相機對晶片進行圖像采集，分析料盤上晶片的散落狀況，確定單個可取晶片的位置信息，決定1號料盤的旋轉角度并進行取片，通過1號機械臂拾取到2號料盤上（見圖3）。2號料盤旋轉一定角度將晶片送入到相機可采集圖片位置，并將圖像信息傳入到計算機中進行圖像處理，判定石英晶片是否存在外觀缺陷，最后根據檢測結果由2號機械臂將石英晶片拾取到不同的分選料斗中。

圖3　分選系統工作臺俯視圖

2　石英晶片分選控制系統

2.1ARM處理器的選擇

石英晶片外觀缺陷自動分選系統采用的是意法半導體公司（ST）生產的STM32F407ZGT6芯片作為分選控制電路板的處理器。STM32F407ZGT6是基于ARM V7架構的Cortex-M4F內核，Cortex-M4F內核采用哈佛結構，其數據總線和指令總線是相互獨立的，這樣以來數據訪問不再占用指令總線，從而提升了性能。STM32F407ZGT6 144個芯片引腳，作為Cortex-M4F內核的頂級性能系列產品，具有以下主要功能特點：

1）極致的運行速度，以168 MHz高速運行時可達到210 DMIPS的處理能力。

2）先進的Cortex-M4內核，浮點運算能力，增強的DSP處理指令。

3）更多的存儲空間，高達1M字節的片上閃存，高達196 K字節的內嵌SRAM。

4）FSMC：靈活的外部存儲器接口。

5）更高級的外設，新增功能：照相機接口、加密處理器，USB高速OTG接口等。

6）增強功能：更快的通信接口，更高采樣率，帶FIFO的DMA控制器等。

綜上所述，STM32F407ZGT6具有強大的處理能力、豐富的外設資源、杰出的功耗控制，可以為系統帶來控制速度快、易于擴展、方便開發的優勢。意法半導體公司為用戶提供了開發STM32系列處理器的固件庫，可以快速的開發產品，縮短開發時間。

2.2控制電路

石英晶片外觀缺陷自動分選系統使用ARM處理器作為其主控制器，并且采用ARM與PC機相結合的方式實現對石英晶片的定位和分選。計算機跟ARM的通信及ARM對步進電機驅動的控制都是通過USB通信來實現的。

2.2.1ARM控制步進電機

ARM作為主控制器，一面負責料盤的轉動和上料，一面負責控制機械臂工作。而控制機械臂、料盤和出料桶的本質都是通過ARM控制步進電機［6］來實現的。下圖是ARM控制步進電機裝置整體架構圖：

圖4　ARM控制板整體架構圖

在整個步進電機控制裝置中，運行于Windows操作系統環境下的PC主機是整個控制裝置的命令發布和運動參數設定中心。主機中的USB［7］主控器，通過USB電纜，將數據發送到ARM控制板。STM32F407中運行的固件代碼的作用主要有兩部分：第一，對USB傳輸控制協議所規定通信流程的進行響應，并對接收到的USB總線數據進行處理來設置相應的步進電機控制的全局變量；第二，依照步進電機控制的全局變量，并利用定時器中斷對時間計時，從而對步進電機進行驅動控制。步進電機控制板通過兩組步進電機驅動口，來分別為步進電機驅動器提供X和Y兩個方向上的電機驅動脈沖和方向控制信號。從而實現了PC主機對步進電機的控制。同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。

2.2.2PC機控制CCD相機

PC機主要通過windows系統下的人機交互界面來下達命令，實現對CCD相機的控制。本系統CCD相機采用的MVC5000F彩色數字攝像頭是我公司自主研發的遵循USB 2.0標準的高分率、高清晰度、高幀率一體化攝像頭。MVC5000F系列產品具有五百萬的像素量，清晰度能達到800以上電視掃描線和板級處理功能，從而提供了高質量的圖像采集，是選用高性價比解決方案的最佳選擇。PC機通過USB2.0接口，不需要額外的采集設備，即可獲得實時的無壓縮視頻數據和對圖像的捕捉，由于USB接口支持即插即用，接口體積小巧、節省系統資源、傳輸可靠、提供電源、良好的兼容性、共享式通信和低成本等優點，使得采用USB接口的CCD相機比采用PCI、光纖及串口等通信方式與上位機進行數據傳輸更方便，傳輸速率更高，符合現代通信的要求。實時、快速、準確地將數據通過USB傳遞給上位機是CCD相機的重點和關鍵。

2.3步進電機驅動電路

本課題中ARM處理器對料盤、機械臂和出料桶的控制都是通過ARM控制步進電機實現的。步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。當步進驅動器［8］接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（稱為“步距角”），它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的。為實現系統對步進電機的準確控制，設計實現了接口驅動電路。

石英晶片外觀缺陷分選部分步進電機驅動電路有兩部分組成：SN74LVC4245DB和510R*4。SN74LVC4245DB共有23個管腳，其中DIO1～DIO8為系統的內部控制信號輸入端，A5～A8為 510R*4的信號輸入端，其工作原理是：SN74LVC4245DB將3.3V的內部控制信號轉化為步進電機需要的5V信號，然后由510R*4將5V信號分別通過P4、P5、P6實現對料盤和兩個機械臂的控制。

3　結果分析

為測試石英晶片外觀缺陷分選控制系統的性能，進行了多次檢測平臺上石英晶片的定位與分選控制實驗。首先對定位系統進行實驗，得到檢測平臺上各個石英晶片的坐標，然后對ARM控制系統機械臂實驗。部分實驗數據如表1所示，由實驗數據及實驗效果證明控制系統能夠高效精確地實現對整個石英晶片外觀缺陷分選系統的控制。

4　結束語

本以ARM處理器作為石英晶片分選系統的控制中心，實現了計算機和ARM主從控制式?？刂葡到y采用USB總線接口大大提高了運行速度，使用更方便靈活。通過對系統的實驗分析結果表明控制速度滿足3 600片/h的分選要求，缺陷檢測準確度在98.4%以上。自動分選控制技術是自動分選系統的關鍵技術，其性能影響著整個石英晶片分選系統的效率和精確度。

［1］YANGWan-hua，WANGYan-lin，LIDong.Image processingbased technology for dirt detection of quartz wafer［C］//Proceedings of 2013 IEEE 11th International Conference on Electronic Measurement&Instruments（ICEMI2013），2013.

［2］張俊娟.石英晶片電參數分選控制系統設計［D］.北京：北京信息科技大學，2014.

［3］崔栗峰.雙通道石英晶體快速測量技術方法研究 ［D］.北京：北京信息科技大學，2015.

［4］唐朋朋，劉桂禮，李東等.基于OpenCv的石英晶片缺陷檢測［J］.北京信息科技大學學報，2012，27（3）：33-36.

［5］朱冠英.石英晶片表面在線缺陷檢測算法研究［D］.浙江：浙江大學，2013.

［6］方旭.基于ARM的多通道步進電機控制系統設計［D］.成都：西南交通大學2014.

［7］劉俊.基于USB接口的步進電機控制的研究與實現 ［D］.武漢：華中科技大學，2006.

［8］王宇.基于ARM的表貼石英晶體頻率分選控制系統設計［D］.北京：北京信息科技大學，2014.

Quartz wafer appearance of defects automatic sorting control technology

ZHANG Jie，LIDong，WANG Yan-lin
（Institute of Instrument Science and Opt-electronics Engineering，Beijing Information Science&Technology University，Beijing 100192，China）

Quartz wafer appearance of defects automatic sorting system uses ARM processor as the master controller，by controlling the steppermotor to achieve the robotic arm trays and a drum of control.ARM and PC are used to realize the localization and separation of quartz crystal.Between the ARM controller and PC data transmission using USB bus interface，significantly improve the operating speed.Proven，the subjectof precise control of the appearance defects of the quartzwafer sorting，quartz crystal appearance defects sorting control system for the promotion of research quartz crystal wafer sorting equipment in China isofgreatsignificance.

quartz crystal；appearance defects；control technology；ARM processor；automatic sorting

TN98

A

1674-6236（2016）19-0125-03

2015-10-17稿件編號：201510108

張 潔（1988—），女，河南商丘人，碩士研究生。研究方向：電子測量技術。