基于USB通信的印制電路板AOI視覺檢測系統(tǒng)

引 言
    隨著表面組裝技術(shù)（SMT）中所使用的印制電路板（PCB）導(dǎo)體圖形的細(xì)線化，SMT元器件的微型化,以及SMT組件的高密度組裝和快速組裝的發(fā)展趨勢,采用目檢或人工光學(xué)檢測的形式檢測SMT組裝質(zhì)量已不能適應(yīng)。為此,自動光學(xué)檢測（AOI）技術(shù)作為SMT組裝質(zhì)量檢測的主要技術(shù)手段,在SMT中應(yīng)用越來越普遍。
    AOI，也稱為自動視覺檢測，是基于光學(xué)原理，綜合采用圖像分析、計(jì)算機(jī)和自動控制等多種技術(shù)，對生產(chǎn)中遇到的缺陷進(jìn)行檢測和處理，是較新的確認(rèn)制造缺陷的方法。AOI系統(tǒng)按技術(shù)劃分為精密機(jī)械、電氣控制、視覺系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)4大部分組成，其核心是一套基于CMOS或CCD的圖像采集系統(tǒng)、交流伺服控制x、y工作臺及圖像處理軟件系統(tǒng)。圖1為所設(shè)計(jì)的PCB板AOI檢測系統(tǒng)框圖。

視覺檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    AOI系統(tǒng)究其本質(zhì)是一套基于機(jī)器視覺技術(shù)的表面缺陷檢測系統(tǒng)。如何獲取高質(zhì)量的PCB表面圖像信息成為PCB光學(xué)檢測中首要解決的難題和重點(diǎn)，這是PCB表面缺陷檢測的關(guān)鍵。由于PCB缺陷的特殊性，AOI系統(tǒng)對視覺采集系統(tǒng)提出了很高的要求：高分辨率、高速率、實(shí)時檢測等。

視覺采集系統(tǒng)
    針對AOI系統(tǒng)要求，選用基于DSP+CPLD的圖像采集處理模式。圖2為視覺采集系統(tǒng)框圖。系統(tǒng)通過DSP給CPLD發(fā)出一個采集命令，由CPLD控制CMOS圖像傳感器向FIFO的寫入圖像數(shù)據(jù)，同時DSP通過DMA將圖像轉(zhuǎn)移至SDRAM中并進(jìn)行圖像處理，在處理結(jié)束后，將處理的結(jié)果通過DSP內(nèi)置的USB接口傳給微機(jī)或其他設(shè)備。 I/O接口經(jīng)擴(kuò)展后，將控制觸發(fā)信號交由工作臺及電氣控制系統(tǒng)，完成系統(tǒng)采集控制的目的。

USB通信接口電路
    本設(shè)計(jì)采用的DSP芯片TMS320VC5509A集成了一個USB控制模塊（USB2.0 full speed），可以完成和USB主機(jī)系統(tǒng)之間的讀寫操作，具有無需外加邏輯電路、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。使用TMS320VC5509A的片上USB模塊，完成DSP前端圖像采集系統(tǒng)與后臺PC機(jī)之間的通信硬件電路設(shè)計(jì)，簡化了圖像采集系統(tǒng)的硬件控制軟件和后臺PC機(jī)的驅(qū)動程序。

    圖3為DSP片內(nèi)USB模塊與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的硬件接口電路。其中左邊3個引腳PU、DP、DN是TMS320VC5509A的片上引腳，右邊的6個引腳組成了一個Mini USB接口，利用USB連接線就可以完成與PC機(jī)的連接。中間的阻容電路起加強(qiáng)輸入輸出可靠性的作用。

軟件程序設(shè)計(jì)

    如圖4所示，本系統(tǒng)中USB通信的軟件程序主要由四部分組成。在設(shè)備端：設(shè)備端驅(qū)動程序，也稱之為固件程序；設(shè)備端應(yīng)用程序，主要完成數(shù)據(jù)搬運(yùn)，以及與其他硬件設(shè)備的交互工作。在主機(jī)端：主機(jī)端驅(qū)動程序；主機(jī)端應(yīng)用程序。由于USB是分層結(jié)構(gòu)，主機(jī)端驅(qū)動和設(shè)備端驅(qū)動完成對USB設(shè)備的枚舉和配置；而在主機(jī)端應(yīng)用程序和設(shè)備端應(yīng)用程序之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。
    本系統(tǒng)中，DSP作為USB傳輸?shù)脑O(shè)備端，同時由于USB是嚴(yán)格的主從結(jié)構(gòu)，所有的配置、枚舉及數(shù)據(jù)傳輸命令都必須由主機(jī)下達(dá)，所以在設(shè)備端的程序設(shè)計(jì)時，固件程序設(shè)計(jì)成一個復(fù)雜的中斷服務(wù)程序，用以主機(jī)對DSP作為USB設(shè)備配置、枚舉時的應(yīng)答。而原本在CCS中運(yùn)行的DSP采集主程序也必須改寫成中斷程序，這樣才能完成對DSP固件程序和DSP采集程序的整合，使之整合到一個main（）運(yùn)行程序中，程序運(yùn)行時，啟動對DSP的初始化，時鐘配置和USB模塊初始化；當(dāng)主機(jī)發(fā)出采集圖像命令時，DSP程序進(jìn)入采集中斷程序，執(zhí)行實(shí)時采集中斷程序；當(dāng)主機(jī)發(fā)出USB模塊配置枚舉命令時，USB中斷服務(wù)程序?qū)χ鳈C(jī)做出回應(yīng)；當(dāng)主機(jī)發(fā)出傳輸圖像命令時，DSP程序進(jìn)入數(shù)據(jù)搬運(yùn)中斷程序。

DSP端的固件程序
    USB固件程序的結(jié)構(gòu)一般是基于中斷處理的。主程序完成必要的初始化之后就等待USB中斷，接收到USB中斷后依據(jù)中斷的類型進(jìn)入不同中斷服務(wù)程序。USB協(xié)議的主從模式?jīng)Q定了USB總線上傳輸?shù)陌l(fā)起和終止都是主機(jī)控制的，因此，固件編程中只要滿足了主機(jī)的要求，或者說對主機(jī)的請求給予了及時的響應(yīng)，那么固件的編程也就完成了。
USB固件應(yīng)用程序主函數(shù)例程：
void main（）
｛
    EnableAPLL（ ）;
     //使能USB模塊的模擬鎖相環(huán)
    CSL_init（ ）; 
    //  DSP的CSL庫初始化函數(shù)
    INT_DisableGlobal（）;       //  關(guān)閉全局中斷
    INT_SetVec（0x03ff00）;  
 //  設(shè)置中斷向量表在RAM中的地址
　　PLL_Init（48）;  //  將USB模塊
  的時鐘調(diào)整到48MHz
　　Collect_main（）; //  CMOS圖像
   采集程序
　　USBTest_Init（）; //  初始化USB
  模塊，初始化完畢打開全局中斷
    while（1）; //  循環(huán)等待狀態(tài)
｝
    端點(diǎn)0的控制傳輸是USB枚舉的默認(rèn)傳輸端口，其中斷服務(wù)程序是USB固件程序設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和關(guān)鍵。

PC端的驅(qū)動程序及上位機(jī)應(yīng)用程序
    PC端的驅(qū)動程序及上位機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)相對比較簡單，選用Driver Studio開發(fā)工具開發(fā)USB驅(qū)動程序，Driver Studio對設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)工具DDK中操作進(jìn)行封裝，減少了開發(fā)時間，提高了效率。通過Driver Studio的工具Driver wizard生成的驅(qū)動程序?yàn)殚_發(fā)者提供了一個基本框架，使用者只需修改較少的或者基本不用代碼就可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能了。
    Windows XP中的上位機(jī)程序不能直接訪問底層的硬件，需要通過驅(qū)動程序進(jìn)行（讀、寫、中斷等）操作。設(shè)備的驅(qū)動程序由I/O管理器管理和調(diào)動。上位機(jī)程序在用戶模式下通過Win32子系統(tǒng)對Win32API函數(shù)進(jìn)行調(diào)用。Win32API函數(shù)通過I/O管理器向內(nèi)核模式下的驅(qū)動程序傳遞IRP。驅(qū)動程序通過處理IRP，來完成應(yīng)用程序和硬件程序信息的交互。訪問USB設(shè)備驅(qū)動的Win32API函數(shù)：
（1） CreatFile 函數(shù)創(chuàng)建或打開文件，并返回一個可用于訪問文件的句柄。
（2） DeviceIoControl 函數(shù)直接給指定的設(shè)備驅(qū)動程序發(fā)送控制代碼，使得相應(yīng)的設(shè)備執(zhí)行指定操作。函數(shù)若成功，返回一個非0值，否則返回0。
（3） ReadFile 函數(shù)讀由文件指針表示的位置開始處的文件讀數(shù)據(jù)，讀操作完成后，文件指針調(diào)整實(shí)際讀的字節(jié)數(shù)。函數(shù)若成功，返回一個非0值，否則返回0。
（4） CloseHandle 函數(shù)關(guān)閉打開的文件句柄。函數(shù)若成功，返回一個非0值，否則返回0。

實(shí)驗(yàn)與結(jié)論
    筆者設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種印制電路板AOI視覺檢測系統(tǒng)，包括硬件電路和軟件程序。硬件結(jié)構(gòu)簡單，可以實(shí)現(xiàn)通信傳輸?shù)母叨燃苫?，傳輸速率滿足AOI檢測系統(tǒng)的實(shí)時性要求。圖5為實(shí)驗(yàn)中采集到的PCB板圖像。

參考文獻(xiàn)：
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4.   TMS320C55x CSL USB Programmer‘s Reference Guide, Texas Instruments Incorporated
5.  武安河、邰銘、于洪濤，Windows 2000/XP WDM設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)，電子工業(yè)出版社，2004