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自动光学检测仪的图像采集处理系统的研究

作　者: 魏建英
导　师: 叶玉堂
学　校: 电子科技大学
专　业: 光学工程
关键词: 自动光学检测仪接触式图像传感器现场可编程门阵列中值滤波边缘检测
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着电子产业的飞速发展,印刷电路板产业得到了迅猛发展。PCB产品向着超薄型、小元件、高密度、细间距方向快速发展,其技术性和复杂性已经达到了一个相当高的水平。因此,PCB的生产质量要求越来越严格,必须进行质量控制。目前PCB生产线上有各种各样的在线检测设备,有的采用光学方法,有的采用电子方法(即光学测试和电测试两大类)。自动光学检测仪器利用摄像头、扫描仪等对PCB板进行扫描,将标准PCB板和被测PCB板的图像进行比较,可检查出PCB板上孔之间的位置、孔径、走线的宽度、线间宽度、电子元件等的缺陷。本文实现了自动光学检测仪的图像采集处理系统,该系统成功应用于AOI的PCB图像采集和图像基本预处理。并在此基础上深入研究了基于FPGA的一些复杂图像处理算法,并给出了相应设计及仿真。系统采用接触式图像传感器进行图像采集,由三个长度为21 cm的CIS拼接而成,其采集长度为60 cm。采用Xlinix公司Spartan III AN系列FPGA芯片作为整个系统的控制中心,对数据流进行控制,将图像数据暂存在相关的存储系统后进行图像预处理,然后把经过处理的图像信号由Camera Link传给PC机,最后由PC机进行复杂的图像缺陷检测。系统设计包括硬件设计及FPGA程序设计两个部分。硬件方面,根据所设计的系统方案框图选择元器件,并根据要求对各芯片进行了选型;构建电路系统,完成各部分电路的电源设计、接口设计、以及FPGA的外围电路等的设计,得到了硬件电路原理图;在综合考虑信号的传输线理论,反射、串扰及地弹等信号完整性问题的基础上,根据原理图绘制出六层PCB版图。FPGA程序设计方面,以Xlinix公司提供的ISE为开发平台,使用Verilog HDL对FPGA内部各模块进行了设计,并完成了各模块的RTL级代码编写。为了提高图像预处理的速度,本文对基于FPGA的图像预处理进行了研究,使用硬件描述语言(verilog HDL)完成了基于中值滤波算法的图像噪声去除和基于Sobel算子、Canny算子的图像边缘检测,并通过了综合仿真。本文所提出的自动光学检测仪的图像采集处理系统成功应用于印制电路板孔径孔数检测机,完成了图像采集功能和简单的图像处理功能。被检测的电路板速度为5 m/min,其长度为60 cm。该系统结构简单,体积小,成本低,能很好地实现图像采集和预处理功能。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第一章引言  11-16
  1.1 自动光学检测仪背景及研究意义  11-12
  1.2 课题研究的背景、目标和意义  12-14
  1.3 本文的主要工作和及被容安排  14-16
第二章自动光学检测仪的图像采集处理系统设计  16-23
  2.1 系统方案设计  16-17
  2.2 系统的实现与器件选择  17-23
    2.2.1 CIS 简介  17-18
    2.2.2 AD9822 简介  18-19
    2.2.3 FPGA 控制单元  19-21
    2.2.4 Block RAM 简介  21-22
    2.2.5 Camera Link 接口  22-23
第三章硬件电路实现  23-33
  3.1 CIS 工作电路设计  23-24
  3.2 AD9822 电路设计  24-25
  3.3 FPGA 芯片电路设计  25-28
    3.3.1 FPGA 供电设计  26-27
    3.3.2 FPGA 与Camera Link 接口的电路设计  27-28
    3.3.3 FPGA 电路设计中注意的问题  28
  3.4 PCB 布局布线  28-33
    3.4.1 PCB 布局规则  28-29
    3.4.2 PCB 布线规则  29-30
    3.4.3 系统的PCB 布局布线  30-33
第四章系统的FPGA 设计  33-53
  4.1 FPGA 介绍  33-37
    4.1.1 FPGA 设计流程  34-36
    4.1.2 硬件开发语言Verilog HDL 简介  36-37
    4.1.3 集成开发环境ISE  37
  4.2 FPGA 内部功能的设计与实现  37-53
    4.2.1 功能模块划分  37-38
    4.2.2 系统时钟模块  38-42
    4.2.3 CIS 控制模块  42-44
    4.2.4 AD9822 控制模块  44-46
    4.2.5 图像缓存与初级处理模块  46-53
      4.2.5.1 状态机设计简介  46-47
      4.2.5.2 状态机设计  47-49
      4.2.5.3 图像二值化处理  49-53
第五章系统的复杂图像处理算法研究  53-81
  5.1 图像噪声的种类  53-55
  5.2 噪声的消除  55-58
    5.2.1 线性滤波  56
    5.2.2 非线性滤波器  56-57
    5.2.3 极值滤波器  57-58
  5.3 中值滤波器的FPGA 实现  58-66
    5.3.1 中值滤波器实现原理  58-60
    5.3.2 快速中值滤波仿真  60-66
  5.4 图像边缘检测的FPGA 实现  66-81
    5.4.1 边缘检测的基本理论  66-69
    5.4.2 Sobel 算法的FPGA 实现  69-73
    5.4.3 Canny 算法的FPGA 实现  73-81
第六章结论  81-82
致谢  82-83
参考文献  83-87
攻硕期间取得的研究成果  87-88

自动光学检测仪的图像采集处理系统的研究

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