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模拟贴片机图像处理系统设计

本科生毕业设计（论文）

中文题目：

模拟贴片机图像处理系统设计

英文题目：

SIMULATIONOFIMAGEPROCESSINGSYSTEMMOUNTER

摘要

通过网络图书馆查资料等了解贴片机背景和发展状况等一些相关的知识。

模拟贴片机大致的原理是首先通过摄像机对固定好的PCB板进行拍照对PCB板进行相关的数据采集，其次经过图像处理得到需要的相关信息（将各芯片焊盘与PCB板背景分离开来），然后使其与我们所具有模板（即芯片）的相关信息相匹配，当他们匹配成功以后，将信息传递给主控计算机（ARM）处理并完成运动控制，使吸盘完成吸片贴片的过程。

主要的设计思路就是模块化，将以上的几个过程主要分成三个模块：

图像采集模块、图像处理模块和运动控制模块，这三个模块通过主控计算机ARM来完成他们之间的数据交换、命令传达等通信关系，使他们够相互协调工作。

由于整个贴片机的设计是非常庞大的，所以像运动控制与机械部分密切相关的部分，要考虑到具体的机械装置所以我们不做讨论。

本论文主要研究的是前两部分即图像采集和图像的处理，这两个部分之间的信息交互非常密切，基本上可以脱离主控计算机ARM来单独讨论。

本文主要介绍一种以DSP为核心图像实时采集处理系统的软硬件设计。

重点论述了DSP软硬件设计和讨论了用于贴片机目标检测系统的各种算法，并选择了比较适合本系统的算法及DSP实现方案。

关键词：

贴片机图像处理

ABSTRACT

Throughthenetworklibrarytofindinformationaboutplacementmachinesuchasthebackgroundanddevelopmentandsomerelevantknowledge.ApproximatesimulationofSMTisthefirstprincipleofgoodthroughthecamerafixedonthePCBboardPCBboardtophotographtherelateddatacollection,followedbyimageprocessingtoobtaintherequiredinformation（tothechippadsandthePCBboardseparatedfromthebackground）,andthenmakeitandwehavethetemplate（thechip）tomatchtherelevantinformation,whentheymatchthesuccessofthefuture,theinformationispassedtothehostcomputer（ARM）processingandcompletemotioncontrol,tocompletesuckersuctionpiecepatchprocess.

Themaindesignconceptismodular,theaboveprocessisdividedintoseveralthreemodules:

imageacquisitionmodule,imageprocessingmoduleandthemotioncontrolmodule,thethreemodulestobecompletedbythehostcomputerARMdataexchangebetweenthem,commandrelationshipbetweencommunicationandothercommunicationstocoordinatetheirworkenough.Astheplacementmachineisdesignedtobeverylarge,soasmotioncontrolandmechanicalpartsarecloselyrelated,takingintoaccountthespecificmechanicaldevicesowedonotdiscuss.Inthisthesis,thefirsttwopartsoftheimageacquisitionandimageprocessing,theinformationexchangebetweenthetwopartsareveryclose,basicallyfromthehostcomputerARMtobediscussedseparately.

ThispaperpresentsaDSP-corereal-timeimageacquisitionandprocessingsystemsoftwareandhardwaredesign.FocusesontheDSPhardwareandsoftwaredesignanddiscussedthetargetdetectionsystemfortheplacementmachine'svariousalgorithms,andselectamoreappropriatealgorithmofthissystemandDSPimplementations.

Keywords:

SMTimageprocessing

一绪论

1.1贴片机背景

表面安装技术（SMT）是第四代电子装联技术,其优点是元器件安装密度高,电子产品体积小,重量轻,可靠性高,抗振能力强,高频特性好,易于实现自动化和提高生产效率,同时可以降低成本。

不论是日用消费类电子产品,还是应用在航空航天、通信工程等尖端科技电子产品,SMT的应用都将使产品发生重大变革。

作为电气互联技术的主要组成部分和主体技术的表面组装技术即SMT，是现代电气互联技术的主流。

经过20多年的发展，目前SMT已经成为现代电子产品的PCB电路组件级互联的主要技术手段。

相关资料表明，发达国家的SMT应用普及率已超过75%，并进一步向高密度组装、立体组装等技术为代表的组装技术领域发展。

组装技术的不断发展必将对组装工艺及相关设备的发展提出新的要求。

如何缩短运行时间、加速转换时间，以及不断地引入具有大量的引脚数量和精细间距的元器件成了如今的贴装设备所面临的严峻挑战。

正因为如此，选择合适的贴装设备以满足现如今的应用需要是一项相当困难的决定。

但这是一项非常重要的选择，因为电子产品装配的生产能力和多功能适应性对贴装设备的依赖性相当的大。

有关专家曾经指出在生产制造中所发生的要求返工的缺陷中高达50%的问题是起源于贴装过程中所生产的问题。

对贴片机性能有着至关重要的两个影响因素是贴片机的结构和视觉系统。

目前贴片机结构大致可分为四种结构：

拱架式、复合式、转塔式和大型平行系统。

视觉系统在成功的贴装设备中扮演着一个重要的角色。

高度精确的光学装置、灵活的照明和高解析度的摄像机集成出最佳的电路和器件的图像，所以通过现代化的算法能够获得至关重要的需要修正电路板、元器件和供料装置变化的反馈。

通过采用先进的视觉技术装置，可以达到较高水平的贴装速率。

降低拾取中所发生的缺陷，从而有利于提高整条生产线上的生产量，增加经济效益。

1.2国内外贴片机研究现状分析

由于中国国内企业的产品在技术水平、控制精度、智能化水平和安全性能等方面与国外先进产品有着较大的差距，国内对高端电动执行器的需求主要通过进口来满足。

我国SMT的应用起步于20世纪80年代初期，最初从美、日等国成套引进了SMT生产线用于彩电调谐器生产。

随后应用于录像机、摄像机及袖珍式高档多波段收音机、随身听等生产中，近几年在计算机、通信设备、航空航天电子产品中也逐渐得到应用。

国外的贴片机研制技术一直走在前列，如日本的松下、雅马哈、富士，韩国的三星，德国的西门子，美国的环球，荷兰的飞利浦等都己开发出非常成熟的产品系列。

美国是世界上最早应用SMT的国家，并且一直重视在投资类电子产品和军事装备领域发挥SMT高组装密度和高可靠性方面的优势。

日本在20世纪70年代从美国引进SMT技术并将之应用在消费类电子产品领域，并投入巨资大力加强基础材料、基础技术和推广应用方面的开发研究工作。

日本从20世纪80年代中后期起，加速了SMT在产业电子设备领域中的全面推广应用，仅用四年时间使SMT在计算机和通信设备中的应用数量增长了近30%，且超过了美国，在SMT应用方面处于世界领先地位。

欧洲各国SMT的起步较晚，但他们重视发展并有较好的工业基础，发展速度也很快，其发展水平仅次于日本和美国。

20世纪80年代以来，新加坡、韩国和我国香港、台湾地区也不惜投入巨资，纷纷引进先进技术，使本地SMT获:

得较快的发展。

贴片机从早期的机械对中，发展到现在的光学对中，具有超高速的贴装能力，然而技术总是向前发展的。

贴片机还会向贴片速度更快、贴装精度更高、装料及管理更方便的方向发展。

其趋势是:

（l）采用双轨道以实现一个导轨上进行PCB贴片，另一导轨送板，减少PCB输送时间和贴片头待机停留时间。

（2）采用多头组合技术，飞行对中技术和z轴软着陆技术，以使贴片速度更快、元件放置更稳、精度更高、真正做到PCB贴片后直接进入再流焊炉中再流。

（3）改进供料器的供料方式，缩短元器件更换时间。

（4）采用模块化概念，通过快速配置，整合设备可轻易在生产线间拼装或转移，真正实现线体柔性化和多功能化。

（5）开发更强大的软件功能系统，包括各种形式的PCB文件，直接优化生成贴片程序文件，减少人工编程的时间，机器故障自诊断及大生产综合管理系统，实现智能化操作。

总之，随着科学技术的不断发展，贴装设备也得不断改进和完善，以满足元器件不断发展变化的需要。

一种新的贴装技术正在悄然出现，即电场贴装技术。

该技术采用电场控制微型元件的移动与贴装，是一种实现微米级材料元件贴装的新方法。

一旦该技术进人实用化阶段，必将对传统的贴装设备带来划时代的变革。

因此，可以说新一代的贴装设备在高精度、高速度、多功能方向将进一步发展和完善。

1.3课题研究内容

1、贴片机视觉系统整体结构的设计分析

2、贴片机视觉系统硬件电路的设计组成

主要研究对BGA封装图片的获取，CCD的选择，采集卡的选择、DSP和FPGA的选型等;分析各元器件主要完成的功能和他们之间的链接。

3、贴片机视觉系统图像处理的算法选择

（1）对传统的图像增强的方法进行分析，选择适合本系统的图像增强方法。

（2）对传统的边缘检测算法讨论，并且提出适合本系统的边缘检测算法。

通过边缘检测算法完成将焊盘从PCB板背景中分离出来。

（3）简单分析模板匹配技术，并介绍本系统模板匹配方法。

4、贴片机视觉系统软件的设计组成

主要讨论各算法在计算机环境下C++中的实现和在目标系统下的实现。

第一部分硬件设计

二贴片机图像处理系统硬件设计

一般贴片机系统由光学系统、机械系统、电路系统、气路系统的四个主要系统组成。

我们的研究的是贴片机控制器即主电路系统。

为便于与研究的系统相结合，课题主要采用基于ARM的视觉检测系统。

贴片机视觉系统是以主控计算机为主体的图像观察、识别和分析系统。

它主要采用摄像机作为计算机感觉的传感部件，或称探测部件。

摄像机感觉到在给定视野内目的物的光强度分布，然后将其转换成模拟电信号，模拟电信号再通过A/D转换器被数字化成离散的数值，这些数值表示视野内给定点的平均光强度，这样得到的数字影像被规则的空间网格覆盖每个网格叫做一个像元。

显然，在像元阵列中目的物影像占据一定的网格数。

主控计算机对上述包含目的物数字图像的像元阵列进行处理，将所图像特征与事先输入主控计算机的参考图像进行比较和分析判断，根据其结果主控计算机向执行机构发生指令。

贴片机视觉系统由视觉硬件和软件组成。

硬件一般由影像探测、影像存储和处理以及影像显示三部成组成。

摄像机是视觉系统的传感部件，用于贴装机的视觉采用固态摄像机，CCD摄像机。

固态摄像机的主要部分是一块集成电路，集成电路芯片上制作有许多细小光敏元件组成的CCD阵列，每个光敏元件输出的电信号与被观察目标上相应反射光强度成反比，这一电信号作为一像元的灰度被记录下来。

像元件坐标决定了该点在图像中的位置。

摄像机获取大量信息有微处理机处理。

处理结果由LED显示。

2.1贴片机视觉系统工作原理

基于我们设计的图像处理系统是贴片机视觉系统中的一部分，要与研发的系统相结合来讨论，我们先了解一下贴片机视觉系统的工作原理。

贴片机视觉检测系统一般由照明系统、图像采集、图像存储、处理与解释、1/0单元组成，由于我们只是实验模拟贴片机系统，对光源的要求不是特别苛刻，照明系统不予考虑（只要提供合适的光源即可）。

基于ARM的贴片机视觉检测系统的光路系统包括光源（在实验条件下光源满足条件）、镜头等，它直接影响到所采集的图像质量，是整个系统成败的关键。

图像传感器即CCD摄像机接收外界的激励并产生响应，图像采集卡将传来的图像信号进行处理（将模拟信号转换成数字信号），存于数字图像存储区等候处理与分析。

接下来的图像处理与解释则从图像中抽取并描述某些特征，自动产所需要的信息进行图像的识别。

解释将先前图像处理与描述的结果赋与一定的意义，通过结合了不同应用要求设计的软件算法来实现，如模板匹配法，我们采用的就是图像模板匹配法。

视觉检测系统的输出结果送到ARM通过1/0驱动实现运动控制。

2.2硬件系统框图

根据贴片机视觉系统的工作原理，确定需要的器件并绘制出系统框图。

（1）首先要对固定好的PCB板进行拍照，所以需要一台摄像机我们选择CCD摄像机；再将接收到的模拟信号，通过视频解码后得到相关的数字信号；系统的逻辑控制、简单信号处理及以后机器视觉算法的硬件实现，我们选择由Xilinx公司的FPGA来完成；再次需要对采集到的数据进行相应的处理以得到我们需要的信息，这部分我们选择具有很强的图像处理能力的DSP来完成；期间需要对相关的信息进行存储，选择一些FLASH、SDRAM等存储设备来完成；而期间与主控制器完成数据地址间的信息交互则通过HPI总线来完成。

以下是硬件系统框图：

2.3器件介绍与选型

系统框图出来以后，选择比较适合本设计的元器件。

以下是各器件的选型。

2.3.1图像采集卡

摄像头：

选择一款合适像素和尺寸的就行

图像采集卡的选择：

ADV7181B。

图像采集卡也称视频解码器。

ADV7181B是美国ADI公司生产的一款高品质，单片，多格式的视频解码器芯片。

ADv7181B的模拟前端包括6个通道，能够接收多路视频信号。

ADV718lB能够自动检测PAL，NTSC和SECAM标准视频信号，并且把它们转化成数格式。

ADV7181B被配置成能够自动检测和转化PAL标准的复合视频信号，将复合视频信号采样，进行A/D变换，转化为RRU-RBT.656YUV4:

2:

2的视频流，通过8位数据总线传入FPGA。

ADV7181B的输出格式配置成YUV4:

2:

2PAL制格式，每帧图像有效像素点为720x576，分为两场。

视频数据的输出配置成了8位，通过27MHz的时钟进行同步，输出数据在数据线上按规律输出亮度和色差数据。

2.3.2FPGA的选型

我们选择Xinlinx公司Virtex-2系列的XC2S200E-5PQ2081，采用VHDL语言（硬件描述语言）来完成我们的设计。

FPGA（FieldPrograxnmableoateArrays），即大规模现场可编程门阵列，它作为ASIC（专用集成电路）领域中的一种半定制产品而出现，它既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件逻辑单元有限的缺点。

目前以硬件描述语言（Verilog或VHDL）进行电路设计，并可以经过简单的综合与布局，快速地烧写进FPGA内进行测试，而成了现代IC设计验证的技术主流。

FPGA兼容了通用门阵列和PLD的优点，可实现较大规模的电路设计，编程非常灵活。

与ASIC相比，它又具有设计制造成本低、设计开发周期短、开发工具使用方便质量稳定和可实时在线测试等优点，但FPGA比ASIC的速度要慢，且比较耗能。

FPGA主要特点：

1利用FPGA设计ASIC，用户无需投片，就能得到合格的芯片。

2FPGA有丰富的触发器和IO引脚。

3FPGA可做半定制或全定制ASIC电路的中

4FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可与CMOS、TTL电平兼容。

5FPGA是ASIC电路中开发费用最低、设计周期最短、风险最小的器件之一。

在数字电路设计中，FPGA越来越发挥了重要的作用，随着FPGA向高密度、低成本方向的发展，目前一个趋势是把系统级的功能放到FPGA器件中来完成。

FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。

用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。

加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。

掉电后，片内的RAM的程序会自动被擦除。

2.3.3DSP的选型

2.3.3.1DSP功能特点简介

数字信号处理一般需要较高的运算速度和较大的运算量，为了提高数据吞吐量，在数字信号处理器中多采用哈佛结构。

哈佛结构的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即存放数据和存放程序分别对应不同的存储器。

与两个存储器相对应的是系统中设置的程序总线和数据总线，使数据的吞吐效率提高了一倍。

由于程序和数据在两个分开的空间中，因此取指令和执行指令能完全重叠。

DSP具有以下特点:

1采用独立的存储器，分别存储数据和指令，且它们都不允许指令和数据并存。

2具有公用的地址总线和一条公用的数据总线，利用公用地址总线访问两个存储模块，利用公用数据总线来完成程序存储模块或数据存储模块与CPU之间的数据传输。

3公用的数据总线和公用的地址总线都由程序存储器和数据存储器分时复用。

4嵌入硬件乘法器，在通用微处理器中，乘法运算都是由软件实现的，实际上是一连串的移位运算。

而在DSP芯片中，乘法和加法运算则是最重要的运算，提高了乘法运算的速度则相对就是提高DSP的性能。

在DSP芯片中，嵌入了专门的硬件乘法器（如DM642中有两个硬件乘法器），因此一次或者两次乘法运算可以在单指令周期内完成，系统效率大大提高。

5采用流水线结构的指令系统，在流水线结构中，一个大任务被分成若干个子任务，在某一时刻N个子任务同时运行，DSP芯片广泛采用流水线结构减少了指令执行时间，从而增强了处理器性能，指令周期被减小到最小值，但增加了信号处理器的吞吐量。

6片内片外两级存储结构。

在片内片外两级存储器中，片内存储器虽然容量不大，但速度很快，可以对多个存储器块并行访问;片外存储器容量虽大，但速度相对较慢。

结合两种存储器各自优势，实际应用中，一般将正在执行的指令和数据放在片内存储器中，暂时用不着的数据和程序放在片外存储器中。

7使用特殊的DSP指令。

不同系列的DSP都具备一些自己特殊的DSP指令，以充分发挥DSP算法和各系列特殊设计的功能，并且使得执行效率趋于最高。

8快速指令周期。

改进型哈佛结构、流水线结构、专用的嵌入硬件乘法器、特殊的DSP指令，再加上优化的集成电路设计，可使DSP芯片的指令周期在200ns以下。

快速的DSP指令执行速度，使它更适合于将来日益复杂的数字信号处理的需求。

9Tl公司DSP则采用的改进型哈佛结构，其改进之处在于允许数据总线和程序总线之间进行局部的交叉连接。

这一改进优点在于数据可以被存放在程序存储器中，并被算术运算指令直接使用，增强了芯片的灵活性。

只要管理好两个独立的总线则就会使系统的整体性能提高，以实现全速运行。

改进的哈佛结构还可使指令存储在Cache（高速缓存器）中，减少读取指令所需的时间，大大提高了执行速度。

2.3.3.2TMS320C6713功能特点

由于图像处理算法大多数为浮点运算，为了方便实现本系统选用了TI公司C6000系列中的高性能32位浮点C6713B作为整个系统的核心处理器。

该芯片的主要特征如下：

采用了改进的哈佛结构和流水线技术，DSPs核增强型甚长指令字结构；系统时钟频率：

300、225、200MHz（GDP）和225、200、167MHz（PYP）；最高可2400/1800MIPS/MFLOPS；采用二级缓存架构：

L1固定有4K程序缓存和4K数据缓存，L2缓存集成256K字节RAM其中的64K可配置用做二级缓存Cache；16/32位外部存储器接口EMIF，可以和SDRAM、SBSRAM、FLASH、EPROM无缝连接；16个独立的增强型直接存储访问控制EDMA；16位主机接口HPI；两个多通道缓冲串口MCBSP；两个I2C接口。

本系统使用到的DSP片内资源主要有内部RAM、EMIF接口、PLL模块、I2C模块、HPI接口、片内定时器以及PowerDown逻辑。

下面对DSP片内资源及其应用作简要的介绍。

（1）二级缓存结构

为了匹配高速的DSPs片内RAM和低速外部主存储器，C6713B引入了高速缓冲存储器CACHE。

CACHE存储器中保存着CPU当前频繁访问的指令代码与数据，CPU访问存储器时受CACHE控制器的控制，仅当CACHE中没有CPU所需的代码或数据时才去访问低速的外部主存储器。

这样，CPU大多数的存储器操作都是访问高速内部RAM，达到了既降低成本又提高系统性能的目的。

C6713B的片内存储器采用二级缓存结构。

程序和数据都拥有各自独立的高速缓存。

其中，第一级L1缓存又分为4K字节的程序缓存L1P和4K字节数据缓存L1D。

L1缓存只能作为高速缓存，不能设置为地址映射的存储器。

C6713B的256K字节第二级L2存储器可划分为L2缓存和L2片上存储器两个部分。

L2存储器既可以设置为缓存，也可设置成片内存储器。

在系统初始化时，本文使用CSL调用API来开启并配置CACHE。

将256K字节L2存储器配置成192K的片内SRAM和64K的CACHE。

（2）EMIF接口

DSP访问片外存储器时必须通过外部存储器接口（EMIF，ExternalMemoryInterface）。

C6713B的EMIF具有很强的数据吞吐率，可以访问8/16/32位宽度的存储器，支持Little-endian和Big-endian模式。

当访问片外8/16位数据时，EMIF会自动完成数据打包和解包处理。

本系统的存储器全部连接在EMIF接口上，包括SDRAM、FLASH和FPGA。

其中FPGA被配置为SBSRAM，连接在CE3空间。

这里，通过配置EMIF控制寄存器来匹配不同存储器的访问操作。

（3）PLL模块

C6713B的片内集成了一个灵活的时钟发生器模块，包括PLL、振荡器和分频器等，可以为系统的不同部分提供不同的时钟。

内部分频器支持/1、/2、/3、……、/32的分频比，PLL支持x1、x2、……x16的倍频模式。

芯片的所涉及的由寄存器进行配置。

本系统25MHz时钟源经EMI滤波后输入DSP，通过调用CSL的API函数来配置PLL控制寄存器、设置分频和倍频，进而产生DSP核工作时钟（200MHz，PYP封装的C6713B芯片）、I2C模块时钟（2MHz）和EMIF时钟（100MHz）。

（4）I2C模块

C6713B提供2个I2C模块与外部设备的I2C设备相连接，并完全按照I2C协议进行数据通信。

本系统C6713B的I2C接口进行视频