基于ARM的嵌入式打孔機系統研究

 引言
印制電路板（PCB）是電氣裝置、電子儀器及電子計算機等電類設備中必不可少的部件，而且隨著國內電子工業的快速發展以及集成電路的廣泛應用，制作PCB板的各項精度指標要求越來越高[1]。
自動打孔機，它通過圖像處理方式，實時在所獲圖像中查找符合要求的圓心位置，然后計算出鉆頭中心與當前圓心的坐標偏差，同時把偏差結果發送給XY運動控制系統以移動鉆頭到孔心上方，最后進行打孔[2]。該設備能夠大幅度地提高PCB定位孔加工精度與速度。
1 系統結構與工作流程
打孔機控制系統的整體框圖如圖1所示，該控制系統的核心是ARM11芯片S3S6410，絕大部分控制任務都是由它來完成的，包括圖像數據的采集與處理、步進電機的控制信號處理、人機交互處理等；攝像頭采用模擬CCD攝像頭，通過數字視頻解碼芯片TVP5150對PAL視頻信號進行AD解碼，輸出8-bit ITU-R BT.656數據到S3S6410芯片進行處理；運動控制系統采用驅動器+步進電機模式，通過步進電機驅動器分別控制定位步進電機和控制汽缸的電磁閥；人機交互模塊采用觸摸屏方式進行操作，方便快捷。
當系統設定工作模式為全自動模式時，其整個工作流程如圖2所示。在參數設置中，特別需要注意校準像素間距和實際物理距離的映射關系。
2 快速圖像算法定位圓心
在經典Hough變換在執行過程中，需要對圖像中的每一個邊界象素點進行運算，而且Hough變換檢測圓需要在三維參數空間A（a，b，r）中采用三維累加器進行處理，因此運算數據量非常龐大。鑒于此，基于經典Hough變換的統計聚類思想，結合PCB板圓孔半徑r能預先獲知的實際情況，本文提出了一種快速提取圓心坐標的算法。
利用三點確定圓原理初步找出圓心。該圓心定位的基本原理是三點共圓的逆變換。在圓的邊緣上任意選取一點A作為起始點，如圖3所示，然后沿著圓邊緣順時針（或逆時針）方向間隔n個像素點（n值選取不宜過大）取一點B，將這兩個點A與B組成圓的第一個點組，做AB弦的中垂線l1，取得l1在AB遠方與圓的交點I。
至此，由A、B和I三點可以算出一個圓心坐標O1。設定A點坐標為（xa，ya），B點坐標為（x■，y■），I點坐標為（xi，yi），則圓心O1坐標（x■，y■）可以通過公式（1）求取：
（x-xi）2+（y-yi）2=r2x-xi=■（y-yi）（1）
其中xab=■yab=■
同理，只要在待測圓邊緣上間隔n個像素點選取2N個邊緣點C、D、E等，然后將這2N個邊緣點中隔為n像素的邊緣點兩兩連接（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Pi（0最后，通過公式（2）求取這N-2個圓心坐標的算術平均值作為沖孔圓心：■=■■x■■=■■y■（2）
3 應用與結果分析
為驗證該嵌入式沖孔機的實際效果，選用多組PCB薄膜片分別進行大量沖孔測試，然后將沖孔前圖像和沖孔后圖像進行對比分析，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）。
通過大量測試實驗可知，該嵌入式沖孔機針對各類較復雜背景下的圖形進行圓心定位和沖孔，能夠獲得一個比較準確、穩定的結果，能夠滿足實際沖孔要求。
4 結束語
該嵌入式打孔機系統運用圖像算法進行圓心查找，采用ARM11 處理器來處理圖像數據的采集與處理、步進電機的控制信號處理等工作。經過現場初步的整機調試，各項性能指標達到了預期設計目標，即沖孔誤差為小于0.0l5mm，鉆孔速度平均為0.35s/個。