一种基于XC164CS与视觉检测的控制系统设计

一种基于XC164CS与视觉检测的控制系统设计
王旭东;叶玉堂;陈东明;陈瑜;吴建平;蒲亮
【摘要】本控制系统以16位微控制器XC164CS为核心控制器.采用伺服系统的位置控制模式来驱动运动部件,利用高速光耦TLP521-4对按钮开关、频闪光源和光纤传感器进行光电隔离;采用光纤传感器和伺服编码器反馈信号优势互补的控制策略.并从控制系统的分析与设计,曝光管时间与光源频率关系的分析和载物台的运动和CCD取像频率的关系的分析等方面做了深入的研究与论证.本控制系统已经成功应用于PCB光电外观检查机系统.实验表明该系统具有控制和定位精度高,误差小,稳定性高和方便灵活的参数修改等显著性能.
【期刊名称】《光电工程》
【年(卷),期】2010(037)012
【总页数】7页(P136-142)
【关键词】英飞凌;XC164CS;位置控制;视觉检测
【作者】王旭东;叶玉堂;陈东明;陈瑜;吴建平;蒲亮
【作者单位】电子科技大学,光电信息学院,成都,610054;电子科技大学,光电信息学院,成都,610054;电子科技大学,光电信息学院,成都,610054;电子科技大学,光电信息学院,成都,610054;电子科技大学,光电信息学院,成都,610054;电子科技大学,光电信息学院,成都,610054
【正文语种】中文
【中图分类】TP368
0 引言
机器视觉检测技术应用在各种产业的生产制造及品质检测会大大提高检测效率和检测精度。

因此逐渐逐渐变成许多生产检测设备的一环。

PCB(Printed Circuit Board，PCB)光电外观检查机是用在PCB行业的机器检测设备。

PCB是提供电子零件安装与插接的基板，只要存在电子元器件，它们之间的电气互连就要使用印刷电路板。

因为印刷电路板品质的好坏，取决于印制电路板上每根线条、每个孔品质的好坏，而一块板上数以千计的线条和孔中任意一个发生过细、过粗、残缺、针孔、粘连、断开、错位等质量问题，都会影响最终产品质量，或导致产生废品。

电路板的层数越多，问题越突出，造成的废品率越高。

在竞争日益激烈的今天，PCB生产商为了在竞争中取胜，PCB光电外观检查机机系统就应用而生。

它通过自动扫描PCB采集图像，再经过图像处理来查处出PCB上的缺陷。

本系统主要有照明系统，图像采集系统，运动控制系统和图像处理系统组成。

本文介绍协调图像采集和处理的控制系统。

本控制系统硬件组成为：核心控制器为英飞凌16位微处理器XC164CS，伺服控制器控制接口模块、串口通信模块、光电隔离(光耦)模块、步进电机接口模块等。

1 系统工作原理与硬件组成
1.1 系统工作原理
当系统上电后，MCU自动检测PCB载物台是否复位到起点。

此过程主要有两个光纤传感器和伺服电机完成。

两个传感器分别安装在四顾电机轨道的起点，即复位点和轨道端点，起复位、停止和电机反转的功能。

上电后MCU检测到sesor1(复位点或起点处)无效，则调用电机反转程序，使PCB载物台回到起点位置，同时串口向PC机发送彩图无效信号。

然后MCU继续判断是否有按键按下，如果有按键按下，电机开始正转，同时串口向PC机发送彩图有效信号。

此过程也就是PCB
线扫描过程，完成图像的采集。

此过程电机经历三个阶段：加速阶段，匀速彩图阶段和减速停止阶段。

在电机正转过程中，从七点开始，MCU通过特有的捕获比较单元(CCU6)来对伺服电机编码器反馈回来的脉冲计数[1-2]，但计数值达到采图有效数值时，串口向PC发送采图开始信号，此时线阵CCD开始对PCB进行图像采集。

在电机减速正转到轨道端点的传感器senor2处时，电机停止并马上反转回到起点处，此过程串口向PC机发送采图无效信号。

至此一个完整的检测过程完整。

MCU继续检测是否有按键按下来进行下一次检测[3-4]。

其中串口发送的采集有效和开始信号可以有效的避免误触发。

CCD采集到的图像信号由Camrelink接口送至图像采集卡再由PC做进一步的图像处理。

图1 PCB光电外观检查机系统工作原理简图Fig.1 The principle diagram of PCB optical visual inspection machine
1.2 系统主要硬件组成
1) 主控制器：XC164CS
XC164CS是英飞凌公司的16位微控制器，用于满足实时嵌入式控制应用的高性
能要求。

其系统结构被优化，具有更高的指令处理能力，对外部激励(中断)的响应时间最小化。

五级流水线和 MAC单元，16个优先级中断系统。

尤其具有两个完
全相同的捕获比较(CAPCOM)单元，只需很少的软件设置，每个单元就可支持多
达16路通道的时序控制。

本系统就用此单元很好的实现了伺服电机的控制和对CCD行信号的产生。

借助于与XC166系列单片机相关的DAvE可视化软件和Keil 软件，其开发过程方便快捷[5]。

本系统利用其捕获比较单元与中断控制系统实现
了对伺服系统的高效控制。

2) 伺服系统
本系统所用的一整套伺服控制系统(有伺服驱动器，电机和上位装置配套而成的一
套完整的伺服控制系统)是安川的伺服系统。

该系列主要用于需要“高度、高频度、
高定位精度”的场合，该伺服单元可以在最短的时间内最大限度地发挥机械性能[6]。

该伺服系统具有速度、位置和转矩控制三种模式，本系统只用到位置控制模式。

伺服系统主要控制信号说明如下：
PULS和/PULS为差分对脉冲信号；
SIGN和/SIGN为差分对方向信号；
CLR和/CLR为差分对清零信号；
PA0和/PA0为差分对反馈脉冲(PG分频输出A相)；
PB0和/PB0为差分对反馈脉冲(PG分频输出B相)；
PC0和/PC0为差分对反馈脉冲(PG分频输出C相)；
图2 伺服系统位置控制电路图Fig.2 Position control circuit of servo system 为了使伺服系统正确工作在位置控制模式，需要对伺服驱动器正确设置，具体设置方法如下：先按一下最左边按钮(MODE)，观察数字显示，如果不是PnXXX，接着再按一下，再观察，如果不是PnXXX再观察，一直到为PnXXX时；再按最右边的键进行选择控制位，中间两个一个是加，一个是减。

调到Pn212后，常按最右边的键(DATA)，大约一秒钟。

弹出的数据就是当前已设定的PG分频比。

通过移位，加减，进行增减设置，设好后，断电重启。

设置成功！
伺服系统的所有控制信号都由XC164CS产生，并XC164CS通过捕获比较单元接受来自伺服编码器产生的脉冲信号，并做相关处理后再来产生控制CCD相机行触发信号[7]。

图3 伺服位置控制框图Fig.3 Block diagram of servo position control
图4 伺服系统信号输入输出时间关系图Fig.4 Time diagram servo system signal input and output
3) 传感器与按钮的接收与检测
采用光耦隔离技术，可以实现电路间的光电隔离，既使输入信号能无阻通过，且防止输出信号反馈到输入端，有利地抑制尖峰脉冲和各种噪声的干扰，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。

为实时检测到反馈的转镜转速信号，本设计中采用了高速光耦ACPL-072L，传输速率可高达25 MBd，并且外围电路简单，如图
5所示。

本设计利用XC164CS外设中含有捕获/比较单元CC25端口，将光耦传输信号作
为外部中断信号来触发XC164，实现高速精确地传感定位与按钮检测。

4) CCD摄像机系统
本系统采用NED彩虹系列的3CCD彩色线扫描相机NUCLi7300。

该相机应用广泛，可进行以前黑白相机无法进行的颜色差异检测。

外部接口为高速串行接口(Camera Link)，可以很方便的与采集卡连接，也可以很方便的设置增益和偏移量，并具有修正RGB线延迟的功能。

像素数为7 300×3 Line，像素大小为10
μm×10 μm，数据速率60 MHz，最短扫描速率7.6 kHz。

图7为本系统所用的
连续线扫描速率模型时序图。

图5 ACPL-072L电路原理图Fig.5 Circuit diagram of ACPL-072L
图6 CCD与采集卡连接示意图Fig.6 Diagram of CCD connection with the acquisition card
图7 CCD连续线扫描速率模型时序图Fig 7 Rate model of continuous line scan CCD timing diagram
2 系统分析与设计
2.1 控制系统分析与设计
载物台的平稳、精确、可靠的运动不仅是高精度机械性能的要求，更是图像采集的有力的保证。

本系统将PCB载物台的运动分为三个阶段：平稳加速区，匀速采图区，减速停止区。

这是电机正转时的分段，电机反转回复到起点位置时刚好相反。

加速与减速采用多级分段加速与减速的方法，稳定可靠[7-8]。

本系统控制流程图如图8所示。

2.2 曝光时间与光源频率的分析
CCD相机的曝光成像时间与光源频率之间的互动关系直接影响着采集到的图像的质量[9-10]。

图9(a)为一般区域扫描。

CCD(取像速度大约在30 fps)在一般室内日光灯源(交流电源，频率为60 Hz)下的示波器取像信号。

日光灯的闪烁频率对这样的 CCD的曝光时间而言，并不会有太大影响，仍然可以取得亮度均匀的影像。

图9(b)所示为将线阵CCD的快门调快，这样会造成曝光时间变短，这时CCD明显受到日光灯的闪烁频率的影响在光线闪烁的亮暗之间取像出来的影像也会出现忽明忽暗的情形。

线扫描的曝光时间通常都在微秒等级，因此假若是使用日光灯源用在线扫描 CCD 上，则采集到的图像就如同图9(c)一样，会出现周期性的亮暗不均影像。

此外，图像质量除受光源频率的影响外，也受光源的色温，均匀性，生命周期，架设位置等的影像。

综上所述，本控制系统经过对曝光时间与光源频率的关系详细分析后，
选取了两个白色光源：FL16A90xxx。

呈“V”字形架设。

并根据光源的平频率选取了适当的曝光时间。

完全达到系统采集图像的要求。

图8 运动控制流程图Fig.8 Flowchart of motion control
图9 曝光时间与光源频率关系Fig.9 Relationship between exposure time and light frequency
2.3 载物台运动与CCD取像频率的分析
确定 CCD与光源的架设位置可以采到均匀的图像后，就开始结合运动控制测试连续采图，这个过程最重要的就是确定线扫描的频率与运动速度之间的关系，过快或
过慢的运动速度都会造成取出的图像发生变形。

因此为了得到不变形的图像，必须确定最佳的运动速度。

下面提供两种方法：
方法一：运动速度(Moving speed)=像素尺寸(Pixel cell size)/线周期(Line period)
方法二：最佳移动速度(Command pulse of velocity)=单位脉冲(Pulse)移动的距离×移动速度(Moving Speed)
本系统采用方法二，计算求得最佳移动速度，并通过多次实验将图像调节到最佳状态。

图10 移动速度与取像关系Fig.10 Relationship between speed and image capture
3 实验与结论
本系统以英飞凌16位单片机XC264CS为控制核心，对系统所需的伺服系统，光迁传感器，光源，启动按钮，串口通信等，利用光电隔离，捕获比较等策略对各单元进行精确，协调的控制。

并从控制系统的分析与设计，曝光管时间与光源频率关系的分析和载物台的运动和 CCD取像频率的关系的分析等方面做了深入的研究与论证。

使系统系统完全达到设计要求。

最后，对系统原理样机进行联调实验进行全面阐述。

在此实验条件下，实验对不同孔数的PCB分别进行时间效率的测试。

检测数据如个表1和表2所示。

表1 实验数据1Table 1 Experimental data 1Index Hole counters Time /s Average time 1 1 213 4.853 2 1 213 4.919 3 1 213 4.979 4.853 4 2 335
6.105 5 2 335 6.159 6 2 335 6.149 6.105 7 3 452
7.256 8 3 452 7.267 9 3 452 7.284 7.256 10 4 550
8.075 11 4 550 8.049 12 4 550 8.058 8.075
表2 实验数据2Table 2 Experimental data 2Index Hole counters Time /s Average time 1 5668 8.251 2 5 668 8.264 3 5 668 8.239 8.251 4 7 721 9.125
5 7 721 9.129
6
7 721 9.154 9.125 7 9 843 10.981
8
9 843 10.974 9 9 843 10.978 10.981 10 12 631 12.456 11 12 631 12.478 12 12 631 12.465 12.456 图11 时间孔数关系图(实验1)Fig.11 Diagram between time and
hole(experimental 1)
图12 时间孔数关系图(实验2)Fig.12 Diagram between time and
hole(experimental 2)
本文所设计的控制系统已成功应用于PCB光电外观检查机体统。

实验已经证明本
系统稳定，可靠，检测速度快，控制精度高，控制参数方便易改。

当控制要求发生变化时很容易修改参数，达到系统控制要求。

图13 控制系统现场实验图Fig.13 Control system field test plan
图14 采集到的PCB图像Fig.14 Collected PCB image
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