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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)，詳細介紹了視覺處理系統(tǒng)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(tǒng)；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(fā)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(yè)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(tǒng)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?；诠I(yè)PC的視覺系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)。該系統(tǒng)拋棄了基于工業(yè)PC+采集卡+工業(yè)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(tǒng)工作原理及硬件構成

在FPC安裝設備中，視覺系統(tǒng)實現對FPC基板的精確定位，檢測待安裝元件的姿態(tài)，控制執(zhí)行機構實現元件的自動安裝。同時，視覺系統(tǒng)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(tǒng)進行高速高精度控制的自動生產設備。視覺系統(tǒng)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(tǒng)發(fā)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(tǒng)，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(tǒng)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(tǒng)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(jiān)控和設置。

1.1 圖像采集單元

系統(tǒng)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(tài)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(tài)。該系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)，DSP可以控制傳感器在任何時候采集圖像，傳感器收到觸發(fā)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(tǒng)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(fā)熱，提高了光源使用壽命和系統(tǒng)集成度。

1.2 Blackfin處理器應用系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用了ADI公司Blackfin系列的ADSPBF531作為算法處理和系統(tǒng)控制的主處理器。Blackfin系列處理器基于ADI與Intel聯合開發(fā)的微信號結構（MSA），它兼?zhèn)湟粋€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(wěn)定工作的頻率達到600MHz，能為系統(tǒng)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(tǒng)擴展了16M×16bit，共32MBytes的PC133 SDRAM，保證了系統(tǒng)內存帶寬。同時為了精簡電路設計，拋棄了一般嵌入式系統(tǒng)常用的NORFLASH，選用只有8引腳的SPI FLASH存放系統(tǒng)程序。此外，系統(tǒng)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(tǒng)，視覺系統(tǒng)具有本機顯示和網絡通信功能。系統(tǒng)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(qū)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(jié)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(tǒng)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(tǒng)管理各個任務有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和降低開發(fā)難度。高速視覺系統(tǒng)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(tǒng)可供選擇。這里我們選擇了CPU資源占用較低的uC/OS系統(tǒng)。

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(tǒng)，這里采用較為成熟的2.86版本進行開發(fā)。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(tǒng)的時間片（Tick）為1ms以保證系統(tǒng)有較好的實時性。

uC/TCP-IP是專門為uC/OS操作系統(tǒng)編寫的TCP/IP協(xié)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(fā)周期。uC/TCPIP作為專門為嵌入式實時系統(tǒng)設計的TCP/IP協(xié)議棧，在8bit/16bit/32bit處理器上都有較高的運行效率，并且與BSD協(xié)議兼容，易于移植已有的網絡應用程序。

2.2 軟件系統(tǒng)總體設計

視覺系統(tǒng)的控制和處理程序主要由圖像采集、算法處理、系統(tǒng)狀態(tài)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(tǒng)進行統(tǒng)一調度管理，五個主要任務可以并行運行，相互獨立。系統(tǒng)軟件架構如圖4所示。

圖4 軟件架構圖

視覺系統(tǒng)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(qū)域的視頻數據緩沖區(qū)，以減少SDRAM的訪問延遲。系統(tǒng)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(tǒng)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(xié)調和緩沖區(qū)切換主要應用uC/OS系統(tǒng)的信號量和消息機制達成，當一個任務請求一個緩沖區(qū)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(tǒng)的應用，視覺系統(tǒng)的各個任務得以相互協(xié)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(tǒng)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(zhí)行機構進行自動貼裝。執(zhí)行機構運動過程中，根據圖像處理進行動態(tài)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tài)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(qū)域的質量檢測算法后，實測檢測速度穩(wěn)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(tǒng)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(tǒng)硬件結構的設計及選型上優(yōu)化圖像采集和處理的質量與效率，提高了視覺系統(tǒng)的集成度，降低生產成本；應用成熟的嵌入式實時操作系統(tǒng)優(yōu)化系統(tǒng)軟件結構，在保證視覺系統(tǒng)處理速度的前提下，實現單機多任務處理?？梢?，將該系統(tǒng)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(yè)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(yè)出版社,2009.

[2] 任哲.嵌入式實時操作系統(tǒng)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(jiān)控的實時性改進[J].電腦開發(fā)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(yōu)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(tǒng)與機器視覺檢測。