基于USB通信的印制電路板AOI視覺檢測系統
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引言
隨著表面組裝技術（SMT）中所使用的印制電路板（PCB）導體圖形的細線化，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展趨勢,采用目檢或人工光學檢測的形式檢測SMT組裝質量已不能適應。為此,自動光學檢測（AOI）技術作為SMT組裝質量檢測的主要技術手段,在SMT中應用越來越普遍。
AOI，也稱為自動視覺檢測，是基于光學原理，綜合采用圖像分析、計算機和自動控制等多種技術，對生產中遇到的缺陷進行檢測和處理，是較新的確認制造缺陷的方法。AOI系統按技術劃分為精密機械、電氣控制、視覺系統、軟件系統4大部分組成，其核心是一套基于CMOS或CCD的圖像采集系統、交流伺服控制x、y工作臺及圖像處理軟件系統。圖1為所設計的PCB板AOI檢測系統框圖。
視覺檢測系統硬件設計
AOI系統究其本質是一套基于機器視覺技術的表面缺陷檢測系統。如何獲取高質量的PCB表面圖像信息成為PCB光學檢測中首要解決的難題和重點，這是PCB表面缺陷檢測的關鍵。由于PCB缺陷的特殊性，AOI系統對視覺采集系統提出了很高的要求：高分辨率、高速率、實時檢測等。
視覺采集系統
針對AOI系統要求，選用基于DSP+CPLD的圖像采集處理模式。圖2為視覺采集系統框圖。系統通過DSP給CPLD發出一個采集命令，由CPLD控制CMOS圖像傳感器向FIFO的寫入圖像數據，同時DSP通過DMA將圖像轉移至SDRAM中并進行圖像處理，在處理結束后，將處理的結果通過DSP內置的USB接口傳給微機或其他設備。I/O接口經擴展后，將控制觸發信號交由工作臺及電氣控制系統，完成系統采集控制的目的。
圖2視覺采集系統框圖
USB通信接口電路
本設計采用的DSP芯片TMS320VC5509A集成了一個USB控制模塊（USB2.0fullspeed），可以完成和USB主機系統之間的讀寫操作，具有無需外加邏輯電路、使用方便等優點。使用TMS320VC5509A的片上USB模塊，完成DSP前端圖像采集系統與后臺PC機之間的通信硬件電路設計，簡化了圖像采集系統的硬件控制軟件和后臺PC機的驅動程序。
圖3TMS320VC5509A的USB接口電路
圖3為DSP片內USB模塊與PC機進行數據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MiniUSB接口，利用USB連接線就可以完成與PC機的連接。中間的阻容電路起加強輸入輸出可靠性的作用。
軟件程序設計
圖4視覺系統中USB通信數據流
如圖4所示，本系統中USB通信的軟件程序主要由四部分組成。在設備端：設備端驅動程序，也稱之為固件程序；設備端應用程序，主要完成數據搬運，以及與其他硬件設備的交互工作。在主機端：主機端驅動程序；主機端應用程序。由于USB是分層結構，主機端驅動和設備端驅動完成對USB設備的枚舉和配置；而在主機端應用程序和設備端應用程序之間實現數據的通信。
本系統中，DSP作為USB傳輸的設備端，同時由于USB是嚴格的主從結構，所有的配置、枚舉及數據傳輸命令都必須由主機下達，所以在設備端的程序設計時，固件程序設計成一個復雜的中斷服務程序，用以主機對DSP作為USB設備配置、枚舉時的應答。而原本在CCS中運行的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（）運行程序中，程序運行時，啟動對DSP的初始化，時鐘配置和USB模塊初始化；當主機發出采集圖像命令時，DSP程序進入采集中斷程序，執行實時采集中斷程序；當主機發出USB模塊配置枚舉命令時，USB中斷服務程序對主機做出回應；當主機發出傳輸圖像命令時，DSP程序進入數據搬運中斷程序。
DSP端的固件程序
USB固件程序的結構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中斷后依據中斷的類型進入不同中斷服務程序。USB協議的主從模式決定了USB總線上傳輸的發起和終止都是主機控制的，因此，固件編程中只要滿足了主機的要求，或者說對主機的請求給予了及時的響應，那么固件的編程也就完成了。
USB固件應用程序主函數例程：
voidmain（）
｛
EnableAPLL（）;
//使能USB模塊的模擬鎖相環
CSL_init（）;
//DSP的CSL庫初始化函數
INT_DisableGlobal（）;//關閉全局中斷
INT_SetVec（0x03ff00）;
//設置中斷向量表在RAM中的地址
PLL_Init（48）;//將USB模塊
的時鐘調整到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）;//循環等待狀態
｝
端點0的控制傳輸是USB枚舉的默認傳輸端口，其中斷服務程序是USB固件程序設計的難點和關鍵。
PC端的驅動程序及上位機應用程序
PC端的驅動程序及上位機應用程序設計相對比較簡單，選用DriverStudio開發工具開發USB驅動程序，DriverStudio對設備驅動程序開發工具DDK中操作進行封裝，減少了開發時間，提高了效率。通過DriverStudio的工具Driverwizard生成的驅動程序為開發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現相應的功能了。
WindowsXP中的上位機程序不能直接訪問底層的硬件，需要通過驅動程序進行（讀、寫、中斷等）操作。設備的驅動程序由I/O管理器管理和調動。上位機程序在用戶模式下通過Win32子系統對Win32API函數進行調用。Win32API函數通過I/O管理器向內核模式下的驅動程序傳遞IRP。驅動程序通過處理IRP，來完成應用程序和硬件程序信息的交互。訪問USB設備驅動的Win32API函數：
（1）CreatFile函數創建或打開文件，并返回一個可用于訪問文件的句柄。
（2）DeviceIoControl函數直接給指定的設備驅動程序發送控制代碼，使得相應的設備執行指定操作。函數若成功，返回一個非0值，否則返回0。
（3）ReadFile函數讀由文件指針表示的位置開始處的文件讀數據，讀操作完成后，文件指針調整實際讀的字節數。函數若成功，返回一個非0值，否則返回0。
（4）CloseHandle函數關閉打開的文件句柄。函數若成功，返回一個非0值，否則返回0。
實驗與結論
筆者設計實現了一種印制電路板AOI視覺檢測系統，包括硬件電路和軟件程序。硬件結構簡單，可以實現通信傳輸的高度集成化，傳輸速率滿足AOI檢測系統的實時性要求。圖5為實驗中采集到的PCB板圖像。
圖5實驗中采集到的PCB板圖像
參考文獻：
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3.TMS320VC5509DSPUniversalSerialBus（USB）ModuleReferenceGuide,TexasInstrumentsIncorporated
4.TMS320C55xCSLUSBProgrammer‘sReferenceGuide,TexasInstrumentsIncorporated
5.武安河、邰銘、于洪濤，Windows2000/XPWDM設備驅動程序開發，電子工業出版社，2004
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