基于图像处理的电路板表观快速检测系统的研究

梁晓钰 李石林 从 浩 连芯玉 楼冠廷

（合肥工业大学，合肥230009）

印刷电路板布线要求严格，必须确保电路板布线的线宽、线间距等达到要求，才能保证电路板的质量。越早识别电路板的缺陷，越早减少不合格PCB的数量，才能提高最终产品的合格率，并通过减少产品返厂数量和降低产品报废率，以降低生产成本[1]。现在常用的检测方法有人工测试、电测试和光学测试[2]。但是，大多数检测方法的实现需外接计算机，其便携性低、耗时长，本文所阐述的检测系统主要功能的实现全部依靠硬件，其便携性高、反应速度快，具有广泛的应用价值，相比较其他检测方法，其在检测准确率和可靠性方面有很大的提高，是对智能化的电路板检测手段的有益探索。

1 系统总体设计

本文所研究的检测主系统能够实现电路板表面布线图的成像与错误检测、实现触摸屏上的人机交互。该检测系统功能实现如图1所示，系统上电后，触摸屏端由使用者发送运行指令，DsP芯片主控，被控步进电机带动的XYZ方向导轨运动，被放置在载物台上的电路板运动到合适位置，Z向移动可自动调焦的OV5640模块最佳的图像数据，对采集的图像数据进行处理，结果送至ARM供TFT触摸屏显示。

图1 检测系统功能实现

2 系统机械部分的设计

系统机械部分主要包括导轨及其驱动和整个试验台的设计。考虑到图像信息获取的特点，本文所设计的台子参考了二维数控工作台结构特点，在z方向增加一维导轨以实现图像采集模块的运动，以得到质量更高的图像数据。

在以诸多工作台的设计为参考的情况下，由于市面上有专业的直线导轨模组制造厂商，所以设计过程中，先选择好整个工作台所需的直线导轨模组，然后围绕直线导轨模组进行工作台建模进行设计[3-4]。为了能够适应各种面积的电路板，本系统的水平面内XY方向导轨行程定为200mm，为了配合图像传感器的合适采样高度，z向选用行程为100mm的导轨。工作台的整体设计如图2所示。

图2 整体设计

为了实现上述建模，结合导轨模组各部分尺寸和各部分功能实现特点进行建模。在该系统中，导轨选用的是滚珠丝杠1605线性滑台KR60，电机选用的是两相57步进电机，步距角为1.8°/步，采用M542H两相电机驱动器驱动，系统各部分实体零件和装配精度为±0.5°。

3 系统DSP控制部分的设计

DsP控制是本系统的关键部分，该部分主要完成对步进电机的驱动、对CMOs图像传感器采集的图像进行处理以及与ARM主控制模块的通信等。

3.1 DSP核心板选取

本系统选用了TI公司的TMs320C6748型号的DsP芯片，TMs320C6000系列是TI公司1997年2月推向市场的刚性能DsP，综合了目前DsP性价比高、功耗低等优点[5-6]。其具有以下优点：TMs320C674x为具有定点和浮点功能的DsP，在典型使用情况下总功耗仅为420MW，适用于便携产品，广泛应用于数字通信和图像处理等领域；内部为哈佛结构，采用专门的乘法器以及流水线操作，采用自身的DsP指令，有可编程定时高速串口接口、多处理器连接接口等，并设置了专门的硬件数据指针的逆序寻址功能，处理速度快。

3.2 DSP内控制程序的实现

3.2.1 滑台位置控制

根据设计要求，使用DsPTMs320C6748和驱动器驱动两相J-5718HB步进电机来实现XY方向步进电机运动的驱动。预判拍摄是否完整，如若不完整，则驱动XY向直线滑台运动相应的步数，将被采样PCB板移至相机视野范围内。其中，导轨两端安装有限位开关，当滑块靠近导轨两端时，该接近开关产生低电平，滑块停止运动。

3.2.2 图像处理算法流程

这里对实现电路板布线的图像处理算法流程进行阐述，如图3所示。

图3 图像处理算法流程

本系统实现电路板布线图提取和比对所采取的方法如下。

（1）线路提取。将彩色图像转换为灰度图，以减少后续的运算量；对灰度图G进行线性灰度拉伸，最亮的为背景与一些白色的焊盘，中间灰度的为PCB的覆铜区域，最暗的部分为走线的边界，通过灰度拉伸将走线突出出来；对图像进行高斯滤波，滤除高频噪声；使用最大类间方差进行阈值分割，根据图像的灰度特性，将图像分为前景和背景两个部分，当取最佳阈值时，两部分之间的差别应该是最大的。

（2）模板匹配与对比。模板匹配使用的是序贯相似算法（ssDA），使二值化图像与模板进行对齐[7-8]。序贯相似算法通过计算两幅图像的残差和来度量两幅图像的相似度，当残差和超过阈值时，滑动到下一个位置，以寻找最佳匹配点。将搜索图与二值化的图像通过点对齐，相减得到两幅图像的差影，再对差影图像进行形态学开操作，去除图像中较小的干扰区域，留下的大区域即为图像的缺陷，对该区域进行红框标记。

4 人机交互设计

本系统使用sT公司的sTM32F103作为人机交互功能实现的主控CPU，其内核为Cortex-M3，被广泛应用于人机交互界面的设计，其控制可控触摸TFT屏模块实现人机交互功能，所使用的可控触摸TFT屏模块是由正点原子开发的7寸触摸屏模块，具有以下特点：高分辨率，刷屏达86帧/s，采用电容触摸屏，支持5点同时触摸，支持8/9/12/16位8080并口连接，支持16/18/24位色彩深度，支持背光亮度控制，亮度调节方便。

在该部分中，CPU驱动触摸屏模块从sD卡中读取所需

显示的图像数据，触摸屏上控件保持等待被触摸后，执行报错和图像显示两项命令。

5 结语

本系统利用单目相机采样并采用图像处理的办法进行PCB板表观缺陷检测，其符合现在工业生产检测的发展趋势。但是，在实际应用中，图像匹配算法的改进以及光源的设计仍需进一步考虑。本文提出的系统采用ssAD算法能够实现图像匹配，但是实际情况下光源的控制、镜头的畸变等因素会造成取样图片质量不理想，使其难处理，因此需要进一步优化图像处理算法并加入光源的设计。这一问题也是本系统进一步研究和改进的方向。