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

石英晶片外觀缺陷自動分選控制技術(shù)研究

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

石英晶片外觀缺陷自動分選系統(tǒng)使用ARM處理器作為主控制器，通過控制步進(jìn)電機(jī)來實現(xiàn)對機(jī)械臂、料盤和出料桶的控制。采用ARM與PC機(jī)相結(jié)合的方式對石英晶片進(jìn)行定位和分選，ARM控制器與PC機(jī)之間采用USB總線接口方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，顯著提高了運(yùn)行速度。經(jīng)驗證，本課題實現(xiàn)了對石英晶片自動分選設(shè)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(shè)備的國產(chǎn)化具有重要的意義。

石英晶片；外觀缺陷；控制技術(shù)；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(wěn)定性好、品質(zhì)因數(shù)高、可靠性好等優(yōu)點，因此被廣泛的用作為電子產(chǎn)品提供同步脈沖和時間頻率基準(zhǔn)。伴隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和科技的進(jìn)步，石英晶體元器件的市場需求量也急劇擴(kuò)大。石英晶片是石英晶體封裝前的半成品，在生產(chǎn)過程中難免有部分石英晶片出現(xiàn)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(wěn)定度產(chǎn)生或大或小的影響，進(jìn)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(chǎn)的W-940A是典型的石英晶片自動分選機(jī)，250B軟件對石英晶片的電參數(shù)進(jìn)行快速準(zhǔn)確的測量，該儀器的分選速度可達(dá)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(shè)備主要是南京熊貓機(jī)電和丹東市東方晶體儀器有限公司開發(fā)的，這些設(shè)備都是借鑒國外的先進(jìn)理論自主創(chuàng)新研發(fā)的，和國外的設(shè)備相比，這些設(shè)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(shù)分選控制系統(tǒng)設(shè)計［2］、雙通道石英晶體快速測量技術(shù)方法研究［3］等方面取得了重要成果。隨著表貼技術(shù)的飛速發(fā)展，石英晶片的體積越來越小，產(chǎn)品更新?lián)Q代越來越快，這就對石英晶片自動分選控制技術(shù)的速度和精度提出了越來越高的要求。而我國的控制技術(shù)跟國外先進(jìn)技術(shù)相比仍存在很大差距，這是國產(chǎn)分選機(jī)與國外設(shè)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(tǒng)整體設(shè)計

1.1石英晶片外觀缺陷分選系統(tǒng)概述

石英晶片外觀缺陷分選系統(tǒng)由計算機(jī)、USB接口電路、ARM控制器、CCD工業(yè)相機(jī)、機(jī)械臂、料盤等器件構(gòu)成。系統(tǒng)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(tǒng)總體框架圖

本系統(tǒng)啟動后首先通過CCD相機(jī)對系統(tǒng)料均勻散落的石英晶片進(jìn)行拍照，通過相應(yīng)算法對要拾取的石英晶片進(jìn)行定位，然后機(jī)器臂將定位后的石英晶片拾取到固定區(qū)域進(jìn)行拍照。將拍照得到的石英晶片圖像傳輸?shù)接嬎銠C(jī)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(xiàn)對機(jī)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(tǒng)

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

石英晶片定位系統(tǒng)的工作原理是：首先系統(tǒng)通過CCD相機(jī)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?shù)接嬎銠C(jī)中以BMP格式存儲，然后利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對采集到的圖像進(jìn)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(biāo)。計算機(jī)根據(jù)石英晶片的中心像素坐標(biāo)，計算出料盤應(yīng)轉(zhuǎn)動的角度，ARM控制器通過控制料盤轉(zhuǎn)動該角度將石英晶片移動到預(yù)定位置坐標(biāo)，等待分選系統(tǒng)機(jī)械臂拾取。圖2為定位系統(tǒng)實物圖。

圖2　定位系統(tǒng)實物圖

1.3石英晶片分選系統(tǒng)

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

石英晶片在入料桶轉(zhuǎn)動過程中將石英晶片送入到1號料盤上，通過定位系統(tǒng)的照相機(jī)對晶片進(jìn)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(zhuǎn)角度并進(jìn)行取片，通過1號機(jī)械臂拾取到2號料盤上（見圖3）。2號料盤旋轉(zhuǎn)一定角度將晶片送入到相機(jī)可采集圖片位置，并將圖像信息傳入到計算機(jī)中進(jìn)行圖像處理，判定石英晶片是否存在外觀缺陷，最后根據(jù)檢測結(jié)果由2號機(jī)械臂將石英晶片拾取到不同的分選料斗中。

圖3　分選系統(tǒng)工作臺俯視圖

2　石英晶片分選控制系統(tǒng)

2.1ARM處理器的選擇

石英晶片外觀缺陷自動分選系統(tǒng)采用的是意法半導(dǎo)體公司（ST）生產(chǎn)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(gòu)的Cortex-M4F內(nèi)核，Cortex-M4F內(nèi)核采用哈佛結(jié)構(gòu)，其數(shù)據(jù)總線和指令總線是相互獨立的，這樣以來數(shù)據(jù)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(nèi)核的頂級性能系列產(chǎn)品，具有以下主要功能特點：

1）極致的運(yùn)行速度，以168 MHz高速運(yùn)行時可達(dá)到210 DMIPS的處理能力。

2）先進(jìn)的Cortex-M4內(nèi)核，浮點運(yùn)算能力，增強(qiáng)的DSP處理指令。

3）更多的存儲空間，高達(dá)1M字節(jié)的片上閃存，高達(dá)196 K字節(jié)的內(nèi)嵌SRAM。

4）FSMC：靈活的外部存儲器接口。

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

6）增強(qiáng)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(qiáng)大的處理能力、豐富的外設(shè)資源、杰出的功耗控制，可以為系統(tǒng)帶來控制速度快、易于擴(kuò)展、方便開發(fā)的優(yōu)勢。意法半導(dǎo)體公司為用戶提供了開發(fā)STM32系列處理器的固件庫，可以快速的開發(fā)產(chǎn)品，縮短開發(fā)時間。

2.2控制電路

石英晶片外觀缺陷自動分選系統(tǒng)使用ARM處理器作為其主控制器，并且采用ARM與PC機(jī)相結(jié)合的方式實現(xiàn)對石英晶片的定位和分選。計算機(jī)跟ARM的通信及ARM對步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的控制都是通過USB通信來實現(xiàn)的。

2.2.1ARM控制步進(jìn)電機(jī)

ARM作為主控制器，一面負(fù)責(zé)料盤的轉(zhuǎn)動和上料，一面負(fù)責(zé)控制機(jī)械臂工作。而控制機(jī)械臂、料盤和出料桶的本質(zhì)都是通過ARM控制步進(jìn)電機(jī)［6］來實現(xiàn)的。下圖是ARM控制步進(jìn)電機(jī)裝置整體架構(gòu)圖：

圖4　ARM控制板整體架構(gòu)圖

在整個步進(jìn)電機(jī)控制裝置中，運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)環(huán)境下的PC主機(jī)是整個控制裝置的命令發(fā)布和運(yùn)動參數(shù)設(shè)定中心。主機(jī)中的USB［7］主控器，通過USB電纜，將數(shù)據(jù)發(fā)送到ARM控制板。STM32F407中運(yùn)行的固件代碼的作用主要有兩部分：第一，對USB傳輸控制協(xié)議所規(guī)定通信流程的進(jìn)行響應(yīng)，并對接收到的USB總線數(shù)據(jù)進(jìn)行處理來設(shè)置相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)控制的全局變量；第二，依照步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動控制。步進(jìn)電機(jī)控制板通過兩組步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動口，來分別為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器提供X和Y兩個方向上的電機(jī)驅(qū)動脈沖和方向控制信號。從而實現(xiàn)了PC主機(jī)對步進(jìn)電機(jī)的控制。同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

2.2.2PC機(jī)控制CCD相機(jī)

PC機(jī)主要通過windows系統(tǒng)下的人機(jī)交互界面來下達(dá)命令，實現(xiàn)對CCD相機(jī)的控制。本系統(tǒng)CCD相機(jī)采用的MVC5000F彩色數(shù)字?jǐn)z像頭是我公司自主研發(fā)的遵循USB 2.0標(biāo)準(zhǔn)的高分率、高清晰度、高幀率一體化攝像頭。MVC5000F系列產(chǎn)品具有五百萬的像素量，清晰度能達(dá)到800以上電視掃描線和板級處理功能，從而提供了高質(zhì)量的圖像采集，是選用高性價比解決方案的最佳選擇。PC機(jī)通過USB2.0接口，不需要額外的采集設(shè)備，即可獲得實時的無壓縮視頻數(shù)據(jù)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(jié)省系統(tǒng)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(yōu)點，使得采用USB接口的CCD相機(jī)比采用PCI、光纖及串口等通信方式與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸更方便，傳輸速率更高，符合現(xiàn)代通信的要求。實時、快速、準(zhǔn)確地將數(shù)據(jù)通過USB傳遞給上位機(jī)是CCD相機(jī)的重點和關(guān)鍵。

2.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路

本課題中ARM處理器對料盤、機(jī)械臂和出料桶的控制都是通過ARM控制步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)的。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器［8］接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（稱為“步距角”），它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。為實現(xiàn)系統(tǒng)對步進(jìn)電機(jī)的準(zhǔn)確控制，設(shè)計實現(xiàn)了接口驅(qū)動電路。

石英晶片外觀缺陷分選部分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)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(tǒng)的內(nèi)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(nèi)部控制信號轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)需要的5V信號，然后由510R*4將5V信號分別通過P4、P5、P6實現(xiàn)對料盤和兩個機(jī)械臂的控制。

3　結(jié)果分析

為測試石英晶片外觀缺陷分選控制系統(tǒng)的性能，進(jìn)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(tǒng)進(jìn)行實驗，得到檢測平臺上各個石英晶片的坐標(biāo)，然后對ARM控制系統(tǒng)機(jī)械臂實驗。部分實驗數(shù)據(jù)如表1所示，由實驗數(shù)據(jù)及實驗效果證明控制系統(tǒng)能夠高效精確地實現(xiàn)對整個石英晶片外觀缺陷分選系統(tǒng)的控制。

4　結(jié)束語

本以ARM處理器作為石英晶片分選系統(tǒng)的控制中心，實現(xiàn)了計算機(jī)和ARM主從控制式?？刂葡到y(tǒng)采用USB總線接口大大提高了運(yùn)行速度，使用更方便靈活。通過對系統(tǒng)的實驗分析結(jié)果表明控制速度滿足3 600片/h的分選要求，缺陷檢測準(zhǔn)確度在98.4%以上。自動分選控制技術(shù)是自動分選系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，其性能影響著整個石英晶片分選系統(tǒng)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(shù)分選控制系統(tǒng)設(shè)計［D］.北京：北京信息科技大學(xué)，2014.

［3］崔栗峰.雙通道石英晶體快速測量技術(shù)方法研究 ［D］.北京：北京信息科技大學(xué)，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(xué)學(xué)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(xué)，2013.

［6］方旭.基于ARM的多通道步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計［D］.成都：西南交通大學(xué)2014.

［7］劉俊.基于USB接口的步進(jìn)電機(jī)控制的研究與實現(xiàn) ［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2006.

［8］王宇.基于ARM的表貼石英晶體頻率分選控制系統(tǒng)設(shè)計［D］.北京：北京信息科技大學(xué)，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(shù)。