容栅式SMT钢网表面张力在线检测系统设计

吴文娟,李致金

(1.南京林业大学 理学院，南京 210037；2.南京信息工程大学 人工智能学院,南京 210044)

0 引言

钢网又称SMT网板、SMT钢网。它是用来定量分配锡膏或贴片胶的，是保证印刷锡膏或贴片红胶质量的关键工装[1]。SMT钢网表面张力大小直接影响生产印刷状态，新导入的钢网及日常使用中的钢网均需对其进行张力测试、评估、以防止张力不足或过大影响印刷状态。目前工业上钢网张力检测，一般采用指针式或数字式的张力计，测量钢网四角和中心位置的张力，然后根据测量的张力大小调整钢网的扩张和绷紧装置，使得钢网保持正确的张力。这种检测方法是分立手动式的，效率很低。重要的是不能对钢网使用中的张力进行在线检测，不能实现钢网使用中的智能化管理。因此本钢网表面张力在线检测系统具有首创意义。

1 系统设计

本系统实现钢网表面张力在线检测和数据智能化管理。实际使用中，将每块钢网上贴上含有钢网相关信息的RFID标签，RFID阅读器阅读到钢网的标签信息，并将读取的信息传输至STM32F103C8T主控系统。数字式张力计依次放置钢网4个角落以及中间位置，检测放置位置的张力数据。主控系统将采集到的钢网信息和张力数据通过蓝牙模块发送至手机或上位机中，手机APP或上位机管理系统处理接收的各点张力数据，实现钢网信息以及张力数据的智能化管理。本系统设计包括：1)容栅式数字张力计；2)RFID标签阅读系统；3)系统主控系统；4)蓝牙传输系统；5)锂电池充电管理系统等电路。系统框图如图1所示。

1.1 容栅式数字张力计

实现钢网表面张力在线检测和智能化管理，传统的指针式张力计无法做到，需设计数字式张力计。容栅位移传感器具有可靠、功耗低、体积小、重量轻、频响速度快、安装方便等优点[2]。本系统采用GC7626集成芯片作为容栅式数字式张力计数据采集芯片，实现性价比高的便携式数显式张力检测系统[3-4]。GC7626在模拟部分电路和数字运算处理部分做了很多改进，具有四舍五入取舍功能以消除 5 μm显示误差。与此同时，可实现低至 20 μA 的低功耗。通过芯片外部的选择端来决定选用晶体振荡器还是 RC 振荡器，降低芯片应用成本。为了适应测量工具不同供电条件和功耗管理的需求，GC7626芯片提供多种用户可选的手动和自动的断电方式。GC7626采用高等级的工艺平台和先进的电路设计，芯片工作主频可提高到 280 kHz，可以满足测量应用中快速响应的要求。芯片内部集成的电路功能非常丰富，可提供多达 52 段 LCD 显示符号，测量显示范围可达六位半，测量精度可达0.01 mm。同时备有串行接口输出端，单片即可满足各种精密测量工具的需求。

1.1.1 容栅式传感器的基本原理

图2 反射式容栅结构示意图

1.1.2 GC7626数据采集系统

本系统设计GC7626为直线尺测量模式。设计原理如图3所示。

图3 GC7626控制原理图

OUT1～OUT8为系统输出接动尺发射极的1～8电极，COM1～4接液晶公共端，SEG0-SEG13接入液晶的段位脚。GC7626 通过电容传感器来测量长度和角度(本设计设置为长度测量)。驱动器通过 OUT1～OUT8 终端传输调制信号到电容传感器的锁存电路，并从 TRANS 终端接收反馈信号。通过转换相位差信号成长度(角度)数据，来显示测量结果。测量精度可通过分辨率开关确定，设置值如表1所示。

表1 GC7276分辨率选择定义

TRANS为反射电压信号接收端TRANSDUCER，ZERO为复用数据时钟端(CLK)，FAST为复用数据端(DATA)。需传输数据时，按下FAST键，FAST键低电平触发数据传输模式，任意位置按下FAST，输出数据组在慢速和快速之间转换，慢速每秒钟传输5组数据，快速每秒钟传输37组数据。输出数据组传输结束后，系统进入等待传输状态，直至下次FAST键按下。TRANS接定尺的输入信号。

GC7626采用 ZERO、FAST 这两个管脚做功能复用来改成了串行输出测量数据信号。其中 ZERO 做串行同步信号，FAST 输出测量数据信号。同步信号与数据信号波形入图4所示。

图4 GC7626C 串口同步时钟和数据信号波形图

1.1.3 主控系统

本系统以STM32F103C8T6为主控芯片，设计有：1)锂电池充电电路；2)与张力计通信接口电路；3)锂电池电量检测电路；4)蓝牙传输接口电路，设计电路图如图5所示。张力传感器检测到的张力数据通过ZERO(CLK)和FAST(DATA)接入数据传输系统，FAST、DATA)为OC输出方式，因此本系统接口部分设计上拉电阻，如图5所示。

锂电池充电电路采用FS4056电池充电管理芯片进行设计，FS4056是一款高效的单节锂电池充电管理芯片，采用恒定电流/恒定电压线性充电器。锂电池最高可充到4.2 V，系统电压是3.3 V。为此，检测电池电压时，电池电压经电阻R16、R18分压后才可与STM32F103C8T6的PA1引脚连接进入AD转换。本系统与手机APP采用蓝牙通信，蓝牙模块选用DX_BT05-A模块，该蓝牙模块采用美国TI公司CC2541芯片，配置256 Kb存储空间，遵循V4.0 BLE蓝牙规范。支持AT指令，用户可根据需要更改串口波特率、设备名称、配对密码等参数。该模块支持UART接口，并支持SPP蓝牙串口协议，只需配备少许的外围元件就能实现其强大功能。

2 RFID读写系统

每块SMT钢网贴有一块含有该钢网信息的RFID标签。RFID读写系统采用13.56 MHz高频电子标签读写系统对数据进行读写操作，射频输出功率1 W，有效距离0.5 mm左右。本系统RFID阅读器采用先进的标签防碰撞算法，识别率高，速度快，每秒钟可读取80个标签。RFID读写系统设计有一个串口，支持RS232或RS485串行通信协议。每张钢网贴上标签，标签中写入钢网的相应信息。使用中，阅读器读取标签中钢网的相关信息，通过串口传输至本系统的主控系统中，主控系统将相关数据打包后通过蓝牙发送至手机APP(或上位机软件系统)中。

3 软件系统

本系统软件包括：1)张力数据读取程序；2)RFID阅读器数据读取程序；3)蓝牙通信程序；4)锂电池电量数据采集程序；5)手机APP程序；6)上位机管理程序。1)～4)程序为STM32F103C8T6主控芯片中程序，用C语言在KEIL C环境下编程。手机APP在安卓系统手机中利用JAVA语言编制。

3.1 张力数据读取程序

GC7626输出的DATA数据分为两段，前半段数据是绝对位移量、后半段数据是相对位移量。绝对位移量表示从绝对零点到测试位置的绝对距离，相对位移量表示从相对零点到测试位置的距离，绝对零点是固定不变的，是上电后系统认定的点为零点；相对零点是灵活变化的，相对零点是从按键 ZERO 按下时的点为零点。数据前后两段数据的读取间隔是17T(T=6.5 μs)，在每次时钟下降沿到来时进行一次数据读取，其中需要采集的是后半段24位数据[8]。每个数据的宽度是2T，24位数据采用二进制编码方式，低位在前、高位在后，最后位代表实际符号位(0代表正号、1代表负号)[9]。当读取到的相对位移量的符号位为1(负号)时，需要先将读取到的相对位移值进行翻转处理之后再进行计算。

主控芯片STM32F103C8T6自动读取GC7626测量的张力数据。STM32F103C8T6先将DATA(PB7)设置为输出模式，给出脉冲低电平(模拟按键按下)，然后将DATA(PB7)设置为输入模式接收数据，从而实现数据的自动读取。数据读取按24位打包，然后按图4的数据格式解包。

3.2 锂电池电量数据采集程序

STM32F103C8T6提供3个12 bit位AD转换器，此锂电池电量数据采集时选用的是ADC1转换器。锂电池电量数据采集程序分为ADC1驱动和电量采集驱动两部分。在ADC1驱动中又分为读取ADC1通道采集的电量数值和ADC1的初始化。根据求平均值的次数对读取的ADC1通道采集数值进行累加并对其求多次平均值作为ADC1通道读取的电量数值。电量采集程序部分先依据采集次数进行累加ADC1通道读取的电量数值，再由每次采集次数求出电量平均值。

3.3 主控系统软件

主控系统将读取的钢网标签数据、张力计测量数据及电池电量数据按自定的通信协议，将数据通过蓝牙发送至手机或上位机中。系统依次测量钢网左上、右上、左下、右下、中间5个位置的张力数据。张力数据测量时，拿起张力计时，由于数据变化较大，主控系统自动进入数据待传输状态，放下张力计后，数据系统自动进入通信程序，其流程如图6～7所示。

图6 主控系统软件流程图

图7 主控系统软件流程图

4 手机APP系统

蓝牙作为一种短距离的无线通讯技术已经在电子设备中得到广泛应用，其能够将不同设备连接起来，克服了有线传输线的限制[10]。本系统基于Android系统手机开发了一套钢网表面张力管理APP。APP系统主要包括：1)与数字张力计蓝牙模块数据通信部分；2)钢网表面RFID标签识别，识别码通过蓝牙发送至手机APP中；3)钢网管理信息库。手机APP系统首先接收蓝牙传过来的钢网的RFID识别码，并以该RFID识别码建立相应钢网信息库[11]。手机APP实时接收张力计检测的钢网表面张力值，将该值实时存入对应RFID识别码编码的钢网信息库中，通过将该数值与预先设定的标准张力阈值进行比对，判断该点张力数据是否标准。如不在标准范围内，则在界面上输出相应的报警信息。当钢网张力数据标准时，系统将数字存入系统的数据库中，程序流程如图6～7所示。

为了实现钢网管理系统的智能化，系统在APP界面中设计了操作员工二维码或条形码工号阅读功能。实际工作时，操作员先用手机扫描自己工号二维码或条码，只有有权限的操作元才能操作在线检测系统，从而真正实现钢网生产管理的智能化。钢网管理APP管理主界面如图8所示。

图8 手机APP管理界面

5 实验结果与分析

本系统为PCB印刷中SMT钢网表面张力智能测试系统。实际应用中。操作人员手机上安装自主研发的配套的APP，操作员打开APP操作系统后，用摄像头先扫描自己的二维码或条码工号，输入相应口令后进入手机操作系统。为了防止张力计本身误差引起的钢网张力测量不准，本系统进行张力测量时需操作员输入测试张力计编号，以便张力测量问题追溯。完成以上操作后，操作员将SMT钢网搬至RFID阅读器的阅读范围里，阅读器读取钢网编号，并显示在屏幕上。钢网张力测量时，一般需测量5个值，即4个角落张力以及中间部位张力，如图8所示。采用本系统测量的张力数据与品牌STG-80NA张力计测量张力数据如表2所示。

表2 张力测量对照表

由表2可看出，测量同一点表面张力时，本系统研制的张力测量系统达到测量精度的要求，完全可用于SMT钢网表面的张力测量。

6 结束语

本文设计一套自动数字式钢网表面张力在线检测系统。系统设计容栅式数字张力计、张力计数据传输系统、钢网标签阅读系统、表面张力在线检测软件系统、手机APP系统等组成部分。通过容栅式数字张力计、钢网标签信息、手机APP系统三者协同工作，解决了工业生产印刷时钢网表面张力无法实时检测的难题，解决了钢网生产时智能化管理的核心问题。本系统在实际钢网生产中已通过计量认证并投入使用，提高了工厂生产效率和自动化水平，为协作单位带来了可观的经济效益。