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基于ARM的嵌入式打孔機(jī)系統(tǒng)研究
作者:邵華來(lái)源:原創(chuàng)日期:2013-12-06人氣:1070
引言
印制電路板(PCB)是電氣裝置、電子儀器及電子計(jì)算機(jī)等電類(lèi)設(shè)備中必不可少的部件,而且隨著國(guó)內(nèi)電子工業(yè)的快速發(fā)展以及集成電路的廣泛應(yīng)用,制作PCB板的各項(xiàng)精度指標(biāo)要求越來(lái)越高[1]。
自動(dòng)打孔機(jī),它通過(guò)圖像處理方式,實(shí)時(shí)在所獲圖像中查找符合要求的圓心位置,然后計(jì)算出鉆頭中心與當(dāng)前圓心的坐標(biāo)偏差,同時(shí)把偏差結(jié)果發(fā)送給XY運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)以移動(dòng)鉆頭到孔心上方,最后進(jìn)行打孔[2]。該設(shè)備能夠大幅度地提高PCB定位孔加工精度與速度。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作流程
打孔機(jī)控制系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示,該控制系統(tǒng)的核心是ARM11芯片S3S6410,絕大部分控制任務(wù)都是由它來(lái)完成的,包括圖像數(shù)據(jù)的采集與處理、步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)處理、人機(jī)交互處理等;攝像頭采用模擬CCD攝像頭,通過(guò)數(shù)字視頻解碼芯片TVP5150對(duì)PAL視頻信號(hào)進(jìn)行AD解碼,輸出8-bit ITU-R BT.656數(shù)據(jù)到S3S6410芯片進(jìn)行處理;運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用驅(qū)動(dòng)器+步進(jìn)電機(jī)模式,通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器分別控制定位步進(jìn)電機(jī)和控制汽缸的電磁閥;人機(jī)交互模塊采用觸摸屏方式進(jìn)行操作,方便快捷。
當(dāng)系統(tǒng)設(shè)定工作模式為全自動(dòng)模式時(shí),其整個(gè)工作流程如圖2所示。在參數(shù)設(shè)置中,特別需要注意校準(zhǔn)像素間距和實(shí)際物理距離的映射關(guān)系。
2 快速圖像算法定位圓心
在經(jīng)典Hough變換在執(zhí)行過(guò)程中,需要對(duì)圖像中的每一個(gè)邊界象素點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)算,而且Hough變換檢測(cè)圓需要在三維參數(shù)空間A(a,b,r)中采用三維累加器進(jìn)行處理,因此運(yùn)算數(shù)據(jù)量非常龐大。鑒于此,基于經(jīng)典Hough變換的統(tǒng)計(jì)聚類(lèi)思想,結(jié)合PCB板圓孔半徑r能預(yù)先獲知的實(shí)際情況,本文提出了一種快速提取圓心坐標(biāo)的算法。
利用三點(diǎn)確定圓原理初步找出圓心。該圓心定位的基本原理是三點(diǎn)共圓的逆變換。在圓的邊緣上任意選取一點(diǎn)A作為起始點(diǎn),如圖3所示,然后沿著圓邊緣順時(shí)針(或逆時(shí)針)方向間隔n個(gè)像素點(diǎn)(n值選取不宜過(guò)大)取一點(diǎn)B,將這兩個(gè)點(diǎn)A與B組成圓的第一個(gè)點(diǎn)組,做AB弦的中垂線(xiàn)l1,取得l1在AB遠(yuǎn)方與圓的交點(diǎn)I。
至此,由A、B和I三點(diǎn)可以算出一個(gè)圓心坐標(biāo)O1。設(shè)定A點(diǎn)坐標(biāo)為(xa,ya),B點(diǎn)坐標(biāo)為(x■,y■),I點(diǎn)坐標(biāo)為(xi,yi),則圓心O1坐標(biāo)(x■,y■)可以通過(guò)公式(1)求?。?
(x-xi)2+(y-yi)2=r2x-xi=■(y-yi)(1)
其中xab=■yab=■
同理,只要在待測(cè)圓邊緣上間隔n個(gè)像素點(diǎn)選取2N個(gè)邊緣點(diǎn)C、D、E等,然后將這2N個(gè)邊緣點(diǎn)中隔為n像素的邊緣點(diǎn)兩兩連接(即得到N條弦),再分別獲取這N條弦的垂直平分線(xiàn)與圓邊緣的交點(diǎn)Pi(0最后,通過(guò)公式(2)求取這N-2個(gè)圓心坐標(biāo)的算術(shù)平均值作為沖孔圓心:■=■■x■■=■■y■(2)
3 應(yīng)用與結(jié)果分析
為驗(yàn)證該嵌入式?jīng)_孔機(jī)的實(shí)際效果,選用多組PCB薄膜片分別進(jìn)行大量沖孔測(cè)試,然后將沖孔前圖像和沖孔后圖像進(jìn)行對(duì)比分析,如圖4所示(該圖列中第1列為沖孔前圖像,第2列為沖孔后圖像)。
通過(guò)大量測(cè)試實(shí)驗(yàn)可知,該嵌入式?jīng)_孔機(jī)針對(duì)各類(lèi)較復(fù)雜背景下的圖形進(jìn)行圓心定位和沖孔,能夠獲得一個(gè)比較準(zhǔn)確、穩(wěn)定的結(jié)果,能夠滿(mǎn)足實(shí)際沖孔要求。
4 結(jié)束語(yǔ)
該嵌入式打孔機(jī)系統(tǒng)運(yùn)用圖像算法進(jìn)行圓心查找,采用ARM11 處理器來(lái)處理圖像數(shù)據(jù)的采集與處理、步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)處理等工作。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)初步的整機(jī)調(diào)試,各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo),即沖孔誤差為小于0.0l5mm,鉆孔速度平均為0.35s/個(gè)。
印制電路板(PCB)是電氣裝置、電子儀器及電子計(jì)算機(jī)等電類(lèi)設(shè)備中必不可少的部件,而且隨著國(guó)內(nèi)電子工業(yè)的快速發(fā)展以及集成電路的廣泛應(yīng)用,制作PCB板的各項(xiàng)精度指標(biāo)要求越來(lái)越高[1]。
自動(dòng)打孔機(jī),它通過(guò)圖像處理方式,實(shí)時(shí)在所獲圖像中查找符合要求的圓心位置,然后計(jì)算出鉆頭中心與當(dāng)前圓心的坐標(biāo)偏差,同時(shí)把偏差結(jié)果發(fā)送給XY運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)以移動(dòng)鉆頭到孔心上方,最后進(jìn)行打孔[2]。該設(shè)備能夠大幅度地提高PCB定位孔加工精度與速度。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作流程
打孔機(jī)控制系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示,該控制系統(tǒng)的核心是ARM11芯片S3S6410,絕大部分控制任務(wù)都是由它來(lái)完成的,包括圖像數(shù)據(jù)的采集與處理、步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)處理、人機(jī)交互處理等;攝像頭采用模擬CCD攝像頭,通過(guò)數(shù)字視頻解碼芯片TVP5150對(duì)PAL視頻信號(hào)進(jìn)行AD解碼,輸出8-bit ITU-R BT.656數(shù)據(jù)到S3S6410芯片進(jìn)行處理;運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用驅(qū)動(dòng)器+步進(jìn)電機(jī)模式,通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器分別控制定位步進(jìn)電機(jī)和控制汽缸的電磁閥;人機(jī)交互模塊采用觸摸屏方式進(jìn)行操作,方便快捷。
當(dāng)系統(tǒng)設(shè)定工作模式為全自動(dòng)模式時(shí),其整個(gè)工作流程如圖2所示。在參數(shù)設(shè)置中,特別需要注意校準(zhǔn)像素間距和實(shí)際物理距離的映射關(guān)系。
2 快速圖像算法定位圓心
在經(jīng)典Hough變換在執(zhí)行過(guò)程中,需要對(duì)圖像中的每一個(gè)邊界象素點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)算,而且Hough變換檢測(cè)圓需要在三維參數(shù)空間A(a,b,r)中采用三維累加器進(jìn)行處理,因此運(yùn)算數(shù)據(jù)量非常龐大。鑒于此,基于經(jīng)典Hough變換的統(tǒng)計(jì)聚類(lèi)思想,結(jié)合PCB板圓孔半徑r能預(yù)先獲知的實(shí)際情況,本文提出了一種快速提取圓心坐標(biāo)的算法。
利用三點(diǎn)確定圓原理初步找出圓心。該圓心定位的基本原理是三點(diǎn)共圓的逆變換。在圓的邊緣上任意選取一點(diǎn)A作為起始點(diǎn),如圖3所示,然后沿著圓邊緣順時(shí)針(或逆時(shí)針)方向間隔n個(gè)像素點(diǎn)(n值選取不宜過(guò)大)取一點(diǎn)B,將這兩個(gè)點(diǎn)A與B組成圓的第一個(gè)點(diǎn)組,做AB弦的中垂線(xiàn)l1,取得l1在AB遠(yuǎn)方與圓的交點(diǎn)I。
至此,由A、B和I三點(diǎn)可以算出一個(gè)圓心坐標(biāo)O1。設(shè)定A點(diǎn)坐標(biāo)為(xa,ya),B點(diǎn)坐標(biāo)為(x■,y■),I點(diǎn)坐標(biāo)為(xi,yi),則圓心O1坐標(biāo)(x■,y■)可以通過(guò)公式(1)求?。?
(x-xi)2+(y-yi)2=r2x-xi=■(y-yi)(1)
其中xab=■yab=■
同理,只要在待測(cè)圓邊緣上間隔n個(gè)像素點(diǎn)選取2N個(gè)邊緣點(diǎn)C、D、E等,然后將這2N個(gè)邊緣點(diǎn)中隔為n像素的邊緣點(diǎn)兩兩連接(即得到N條弦),再分別獲取這N條弦的垂直平分線(xiàn)與圓邊緣的交點(diǎn)Pi(0最后,通過(guò)公式(2)求取這N-2個(gè)圓心坐標(biāo)的算術(shù)平均值作為沖孔圓心:■=■■x■■=■■y■(2)
3 應(yīng)用與結(jié)果分析
為驗(yàn)證該嵌入式?jīng)_孔機(jī)的實(shí)際效果,選用多組PCB薄膜片分別進(jìn)行大量沖孔測(cè)試,然后將沖孔前圖像和沖孔后圖像進(jìn)行對(duì)比分析,如圖4所示(該圖列中第1列為沖孔前圖像,第2列為沖孔后圖像)。
通過(guò)大量測(cè)試實(shí)驗(yàn)可知,該嵌入式?jīng)_孔機(jī)針對(duì)各類(lèi)較復(fù)雜背景下的圖形進(jìn)行圓心定位和沖孔,能夠獲得一個(gè)比較準(zhǔn)確、穩(wěn)定的結(jié)果,能夠滿(mǎn)足實(shí)際沖孔要求。
4 結(jié)束語(yǔ)
該嵌入式打孔機(jī)系統(tǒng)運(yùn)用圖像算法進(jìn)行圓心查找,采用ARM11 處理器來(lái)處理圖像數(shù)據(jù)的采集與處理、步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)處理等工作。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)初步的整機(jī)調(diào)試,各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo),即沖孔誤差為小于0.0l5mm,鉆孔速度平均為0.35s/個(gè)。
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