基于ARM的嵌入式打孔機(jī)系統(tǒng)研究

 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)。