胡 勝， 宋 躍， 李 君,胡必武， 李 明

(1.東莞理工學(xué)院 電子工程學(xué)院,廣東 東莞 523808；2.東莞理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院,廣東 東莞 523808)

IC成型、分離和自動(dòng)排管作為芯片封裝的后工序，可以完成芯片封裝后的成型、芯片分離和芯片排列入管。成型、分離和自動(dòng)排管系統(tǒng)的性能決定了生產(chǎn)IC的速度及產(chǎn)品質(zhì)量等指標(biāo)。目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)芯片封裝企業(yè)的成型、分離和自動(dòng)排管系統(tǒng)的功能單一，速度一般在40～60次/min，噪聲大、速度慢、精度也不高。本設(shè)計(jì)采取光機(jī)電一體化技術(shù)及凸輪帶動(dòng)沖頭傳料片機(jī)構(gòu)同步?jīng)_壓機(jī)臺(tái)設(shè)計(jì)方案，電腦控制CCD圖像識(shí)別裝置通過(guò)取像、找參考點(diǎn)、圖像分析幾個(gè)步驟來(lái)對(duì)產(chǎn)品方向性、引腳數(shù)及外型進(jìn)行檢測(cè)判斷，設(shè)備具有噪聲低、精度高、可靠性高、速度快等優(yōu)點(diǎn)，芯片、封裝、系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)由自動(dòng)上料、導(dǎo)料和收料等幾個(gè)部分組成。CCD圖像識(shí)別裝置對(duì)產(chǎn)品方向性、腳數(shù)及外形進(jìn)行檢測(cè)判斷?？刂葡到y(tǒng)的輸入輸出接口與被控電機(jī)的連接關(guān)系如圖1所示。CPU通過(guò)輸出控制可以完成X、Y、Z與 A軸的控制[1]。

如圖2所示，視覺(jué)定位由光學(xué)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)工作臺(tái)、CCD攝像部分、FPGA、ARM及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等部分組成[2]。它對(duì)采集到的圖片進(jìn)行濾波、特征提取、色澤分析，從而得到基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)，使定位精度和貼片效率顯著提高，是全自動(dòng)高速集成電路成型與分離系統(tǒng)的核心部分。它利用CCD檢測(cè)目標(biāo)的光強(qiáng)度分布,通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊變成數(shù)字圖像。計(jì)算機(jī)將所獲得的數(shù)字圖像與模板圖像進(jìn)行匹配，根據(jù)匹配的結(jié)果控制光學(xué)對(duì)準(zhǔn)工作臺(tái)及沖頭的運(yùn)動(dòng)。在對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中,先沿X、Y軸方向移動(dòng)光學(xué)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)工作臺(tái),使芯片、基底進(jìn)入視場(chǎng)范圍，沿Z軸方向移動(dòng),并對(duì)準(zhǔn)工作臺(tái)和沖頭直到基底和芯片成像清晰，然后利用匹配算法測(cè)量基底、芯片上定位標(biāo)志的距離,根據(jù)此偏差,控制單元調(diào)整主工作臺(tái)，從而使基底到達(dá)目標(biāo)位置,完成芯片和基底的對(duì)準(zhǔn)。

圖1 控制系統(tǒng)的輸入輸出接口與被控電機(jī)的連接圖

圖2 視覺(jué)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)采用了一種數(shù)字相機(jī)模塊，該模塊采用130萬(wàn)像素?cái)z像頭，該攝像頭的傳感器是ov9650芯片。攝像頭通過(guò)SCCB(Serial Camera Control Bus)總線進(jìn)行控制。SCCB是雙向、兩線總線，具有總線仲裁機(jī)制。選定在FPGA內(nèi)設(shè)計(jì)SCCB控制核的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)ov9650參數(shù)的配置。模擬信號(hào)采樣電路部分由A/D轉(zhuǎn)換器ADC0832構(gòu)成。FPGA選擇 Altera公司的CycloneII系列 EP2C20型,該芯片的資源非常豐富，可滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要。利用有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)了A/D采樣控制模塊，它的任務(wù)就是根據(jù)ADC0832的轉(zhuǎn)換時(shí)序圖，在芯片的引腳發(fā)出相應(yīng)的時(shí)序控制信號(hào)，使ADC0832完成啟動(dòng)、配置和數(shù)據(jù)讀取等操作。當(dāng)CS=0,并且在第一個(gè)脈沖下降之前DI=1，狀態(tài)機(jī)啟動(dòng)。ARM采用AT91SAM7S64，它是基于ARM7TDMI的高性能、工業(yè)級(jí)的32位RISC微控制器。

2 圖像處理

圖像處理使用硬件模板匹配算法,這種算法來(lái)源于軟件模板匹配算法和硬件中值濾波算法。設(shè)計(jì)中采用quartus II的LPM庫(kù)中的移位寄存器。模塊選取的是5×5大小，有25個(gè)PE(處理單元)，每個(gè)PE都是一個(gè)時(shí)鐘同步的閾值計(jì)算電路。模板處理結(jié)構(gòu)能同時(shí)產(chǎn)生25個(gè)閾值，再送入加法電路進(jìn)行模板總閾值大小的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與預(yù)先設(shè)置的閾值進(jìn)行比較，如果小于設(shè)置的閾值則表示模板匹配成功。硬件圖像處理算法結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 硬件圖像處理算法結(jié)構(gòu)

3 傳動(dòng)軸的角度量控制模型

工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡是通過(guò)傳動(dòng)軸的角度量控制的，控制模型如圖4所示。系統(tǒng)采用一個(gè)閉環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模型，驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制傳動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)傳動(dòng)軸的角度檢測(cè)裝置，形成角度 P、I、D三個(gè)分量，然后送入網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)把預(yù)設(shè)角度曲線的前一個(gè)值、當(dāng)前值和下一個(gè)值也送入網(wǎng)絡(luò)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)選用的是徑向基函數(shù)(RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它是具有單隱層的三層前饋網(wǎng)絡(luò)。伺服電機(jī)選用安川SGML-01AF12，它能夠自動(dòng)測(cè)定機(jī)械的必要參數(shù)，實(shí)現(xiàn)最佳驅(qū)動(dòng)，并且配備了與計(jì)算機(jī)的接口。驅(qū)動(dòng)選用TT MOTOR公司智能型直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片GSG3PWM6-S/SN。

4 基于FPGA接口的設(shè)計(jì)

FPGA構(gòu)成框架如圖5所示,包括 CCD模塊、SDRAM模塊、SD卡讀寫(xiě)器、LCD顯示模塊等資源。FPGA控制CCD采集圖像，把像素陣列放入SDRAM中緩沖，而SDRAM采用雙口SDRAM控制方法，這樣再?gòu)腟DRAM中讀取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)模板匹配算法[3]。SD卡用于存放圖像數(shù)據(jù)，圖片在SD卡中按簇存儲(chǔ)，Nios II在讀取時(shí)根據(jù)圖片的起始地址和所占簇的數(shù)量讀出圖像數(shù)據(jù)。用戶可通過(guò)顯示掌握控制信息，系統(tǒng)選用NS-TFT6448液晶控制板模塊實(shí)現(xiàn)顯示，它可實(shí)現(xiàn)256色、雙頁(yè)顯示，并提供一個(gè)高速的8位總線接口，可直接連接CPU。圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像處理及位置坐標(biāo)計(jì)算，在圖像功能上完成灰階化處理、邊緣檢測(cè)及二元圖像處理。圖像邊緣檢測(cè)方面，使用Sobel算法，二元圖像處理部分的臨界值由Otsu算法來(lái)決定。

圖4 傳動(dòng)軸的角度量控制模型

圖5 FPGA系統(tǒng)框架

5 基于ARM的觸摸屏設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行是一個(gè)與用戶不斷交互的過(guò)程,嵌入式觸摸屏裝置是一種人機(jī)交互設(shè)備[4,5]。用戶通過(guò)觸摸操作,就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)的設(shè)備的控制。系統(tǒng)采用專用的控制器件(ADS7483)控制觸摸屏。它的主要作用是從觸摸點(diǎn)檢測(cè)裝置上接收觸摸信息，并把它轉(zhuǎn)化成觸點(diǎn)坐標(biāo)，再發(fā)送給CPU，同時(shí)接收CPU發(fā)來(lái)的命令并加以執(zhí)行。工作流程是：觸摸屏完成數(shù)據(jù)的采集，ADS7483一方面完成對(duì)觸摸屏的電極間的電壓轉(zhuǎn)換，另一方面完成觸摸屏接觸點(diǎn)的電壓值的采集，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換。ARM對(duì)ADS7483發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并完成觸摸屏位置坐標(biāo)的顯示。觸摸屏掃描任務(wù)程序包括設(shè)備的初始化、設(shè)備讀寫(xiě)及中斷響應(yīng)等模塊。觸摸屏的電路連接如圖6所示。

6 軟件設(shè)計(jì)

6.1 觸摸屏軟件實(shí)現(xiàn)

觸摸屏工作流程如圖7所示。

圖7 觸摸屏工作流程圖

函數(shù)ADS7843_init()實(shí)現(xiàn)ADS7843的初始化。讀函數(shù)Uint32 ADS7843_Read(Uint8 Number)讀觸摸點(diǎn)值并返回Number位測(cè)量結(jié)果。寫(xiě)函數(shù)Void ADS7843_Send(Uint8 command)發(fā)送控制字給ADS7843。函數(shù)Void Read_Touch(Uint32*X,Uint32*Y)功能為讀取觸摸屏的觸摸位置，結(jié)果保存在X，Y指針變量中。ADS7843_init()代碼如下：

6.2 基于Nios II的SDRAM驅(qū)動(dòng)和LCD實(shí)現(xiàn)

使用Nios II軟核對(duì)LCD進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí),片內(nèi)的存儲(chǔ)器資源一般滿足不了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,系統(tǒng)使用片外SDRAM作為程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。SDRAM控制器內(nèi)核為FPGA片外的SDRAM提供一個(gè)Avalon_MM接口，SDRAM控制器內(nèi)核可以與多個(gè)SDRAM相連,并處理所有的SDRAM的協(xié)議請(qǐng)求。使用Avalon_MM總線訪問(wèn)SDRAM控制器內(nèi)核時(shí),可以通過(guò)函數(shù)IOWR(BASE、REGNUM、DATA)和 IORD(BASE、REGNUM)進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

在設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)的主要操作有:LCD模塊的檢測(cè)閑忙、初始化、顯示字符、顯示漢字、打點(diǎn)、畫(huà)線和畫(huà)圖等，并將這些操作設(shè)計(jì)成相應(yīng)的函數(shù)。顯示漢字流程如下：首先通過(guò)公式轉(zhuǎn)換計(jì)算,定位對(duì)應(yīng)的點(diǎn)陣信息在字模庫(kù)的地址;然后從字庫(kù)中取出該漢字點(diǎn)陣信息，將這些信息送到顯示緩沖存儲(chǔ)器中;最后顯示器的控制器把點(diǎn)陣信息整屏順次讀出,即可將漢字顯示出來(lái)[6]。

6.3 計(jì)算機(jī)與ARM通信的實(shí)現(xiàn)

AT91SAM7S64的USB接口與USB2.0全速標(biāo)準(zhǔn)兼容，通信速率 12 Mb/s[7]。包含 4個(gè)端點(diǎn)，端點(diǎn) 0是 8 B，端點(diǎn)1和端點(diǎn)2是64 B，端點(diǎn)3是64 B。USB接口電路如圖8所示。

圖8 USB接口電路

在打開(kāi)USB端口時(shí),可通過(guò)一個(gè)AT91_USB_Open()函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

Static uint AT91_UDP_Write(AT91PS_CDC Pcdc,const char*pdata,uint length)函數(shù)用于USB端口的數(shù)據(jù)發(fā)送，每一次發(fā)送都按照數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送。

Static uint AT91_UDP_Read(AT91PS_CDC Pcdc,char*pdata,uint length)函數(shù)用于USB端口的數(shù)據(jù)讀取，在讀的過(guò)程中，依次把接收到的數(shù)據(jù)寫(xiě)入緩沖區(qū)中。

Atmel公司為AT91SAM7S64ARM處理器的USB端口提供了動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DDL，同時(shí)還提供了一個(gè)PC端通用INF驅(qū)動(dòng)配置文件atm6124.inf，可以直接使用它們實(shí)現(xiàn)PC端的應(yīng)用。

6.4 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)及工作控制界面的實(shí)現(xiàn)

視覺(jué)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)程序整體流程為圖9所示。

圖9 視覺(jué)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)程序整體流程圖

系統(tǒng)具有成型、分離和成品自動(dòng)入管功能，自動(dòng)化水平和生產(chǎn)效率很高。機(jī)臺(tái)成型與分離速度達(dá)到140次/min，相比傳統(tǒng)的40次/min～60次/min的產(chǎn)品速度明顯提高。馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)械凸輪帶動(dòng)沖頭傳送料片機(jī)構(gòu)同步成型與分離機(jī)臺(tái)設(shè)計(jì)，先進(jìn)的閉環(huán)隨動(dòng)驅(qū)動(dòng)和定位技術(shù)，定位精度極高，誤差小于0.007 mm。CCD圖像識(shí)別裝置辨識(shí)產(chǎn)品方向性，腳數(shù)、外型檢測(cè)判斷，隨著料片的不同，模具可供選擇配用，提高了產(chǎn)品的合格和優(yōu)秀率。配有讓門(mén)設(shè)計(jì)，反應(yīng)快速有效，并配有急剎系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可避免產(chǎn)品及沖模損壞。系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值較高。

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