基于LabVIEW的電路板檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

宋 璐

(山西大眾電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，山西 太原 030024)

0 引言

隨著電子集成技術(shù)的不斷革新，電路板上的元器件逐漸呈現(xiàn)高密集特性，電子元器件的引腳數(shù)量也急劇增加，因此電路板上可能存在元器件焊接不牢固、錯(cuò)焊、漏焊，焊點(diǎn)短路、有毛刺等現(xiàn)象。以往通過人工目視檢測(cè)電路板的方法直接簡(jiǎn)單，但隨著元器件增多、元器件管腳微小化、密集化，導(dǎo)致檢測(cè)效率降低。此外人工目視檢測(cè)受客觀條件的影響，例如燈光、環(huán)境、工具等，還有主觀方面影響，如視力等，使得電路板缺陷的發(fā)覺具有隨機(jī)性，往往達(dá)不到預(yù)期的效果，因此高效的元器件檢測(cè)系統(tǒng)必不可少。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)的發(fā)展，將采集到的電路板圖像通過計(jì)算機(jī)高效、快速地對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)處理，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電路板生產(chǎn)制造過程中。

LabVIEW是一種虛擬儀器設(shè)計(jì)軟件[1]，運(yùn)用的圖形化編程語(yǔ)言-G語(yǔ)言。其程序內(nèi)部代碼采用的是框圖形式，函數(shù)之間的數(shù)據(jù)傳遞采用數(shù)據(jù)流的方式。LabVIEW軟件是NI公司設(shè)計(jì)開發(fā)的核心，集成各種函數(shù)，功能強(qiáng)大，廣泛應(yīng)用于測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)中。

本文設(shè)計(jì)了一種電路板檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)電路板進(jìn)行必要的缺陷檢測(cè)，具有圖像定位配準(zhǔn)、圖像預(yù)處理、圖像分割、圖像識(shí)別等功能[2]。將電路板圖像進(jìn)行處理，使得人工焊接的電路板狀況一目了然，防止缺焊、漏焊、焊接不合格等現(xiàn)象，克服了人工檢測(cè)易疲勞、可靠性差等缺點(diǎn)，提高了電路板檢測(cè)效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件是整個(gè)檢測(cè)過程的重要組成部分。其設(shè)計(jì)應(yīng)具有可測(cè)量性、可擴(kuò)展性、可操作性等特點(diǎn)。本軟件的主要功能如下：

1) 圖像定位配準(zhǔn)。拍攝印制板圖像時(shí)往往受人工肉眼誤差的影響，導(dǎo)致圖像存在一定的偏移、旋轉(zhuǎn)，將影響后續(xù)元器件的檢測(cè)，因此需要采取方法進(jìn)行圖像定位配準(zhǔn)，將待檢測(cè)印制板圖像與標(biāo)準(zhǔn)印制板圖像進(jìn)行比對(duì)配準(zhǔn)，得出元器件在圖像上有效的位置。

2) 圖像預(yù)處理。由于受相機(jī)像素的限制、光照不均勻、光源不穩(wěn)定等影響，拍攝圖像含有噪聲，導(dǎo)致圖像質(zhì)量降低。因此需對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，進(jìn)行噪聲消除、平滑、濾波等操作。

3) 圖像分割。閾值分割是圖像識(shí)別的基礎(chǔ)。在圖像分割過程中，需設(shè)定合適的閾值，將目標(biāo)元器件與背景明顯區(qū)別出來。先將預(yù)處理過的圖像轉(zhuǎn)化成灰度圖像，然后通過設(shè)定的閾值，將灰度圖像二值化，使得目標(biāo)元器件的輪廓顯示出來。

4) 圖像缺陷識(shí)別。采用參考法，即通過待檢測(cè)圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行比對(duì)來判斷PCB焊接情況，例如元器件是否焊接到正確位置，焊點(diǎn)是否有缺陷、是否出現(xiàn)錯(cuò)焊、漏焊，是否有毛刺等現(xiàn)象。

1.1 圖像定位配準(zhǔn)

為了后續(xù)處理得到準(zhǔn)確的結(jié)果，需使用一張質(zhì)量較好、無傾斜的PCB圖像。通常電路板有Mark標(biāo)記，選取其對(duì)角位置的兩個(gè)標(biāo)記，采用最小二乘擬合法確定待測(cè)圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖像之間的偏差情況，從而實(shí)現(xiàn)定位[3]。

對(duì)于給定數(shù)據(jù)點(diǎn)集合{(xi,yi)}(i=0,1,2,…,m)，在相應(yīng)的函數(shù)類φ中，求p(X)∈φ，使得誤差的平方和E2最小，E2=∑[p(Xi)-yi]2。該方法為曲線擬合的最小二乘法。在LabVIEW中，可通過最小二乘曲線擬合函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

1.2 圖像預(yù)處理

LabVIEW中，可以采用中值濾波函數(shù)對(duì)圖像進(jìn)行平滑去噪處理。基本原理是通過滑動(dòng)窗口，將每一點(diǎn)的像素值用該點(diǎn)的鄰域中各點(diǎn)值的中值代替，使周圍的像素值接近真實(shí)值，從而消除了孤立的噪聲點(diǎn)。中值濾波是一種非線性濾波，其特點(diǎn)是運(yùn)算不需要圖像特性，速度快，并且能很好地保留圖像邊緣細(xì)節(jié)信息。

1.3 圖像分割

拍攝到的圖像一般是彩色圖像，信息量較大，處理耗費(fèi)時(shí)間，因此先將彩色圖像轉(zhuǎn)換成信息量較少的灰度圖像。本文采取最大熵閾值法進(jìn)行圖像二值化。其原理是：給定一個(gè)特定的閾值，對(duì)于該閾值分割的圖像區(qū)域，估算其相應(yīng)的概率密度函數(shù)，再求其對(duì)應(yīng)的熵值和該閾值下的總熵值；計(jì)算出所有分割閾值下的圖像總熵，找到最大的熵，將最大熵值對(duì)應(yīng)的分割閾值作為最終的閾值，那么圖像灰度大于此閾值的像素則為目標(biāo)，否則為背景。在LabVIEW中，使用IMAQ中的最大熵自動(dòng)閾值分割函數(shù)IMAQ Threshold可以實(shí)現(xiàn)。

1.4 圖像缺陷識(shí)別

本系統(tǒng)采用了LabVIEW中的模式匹配模塊。選定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)圖像，設(shè)定模板匹配參數(shù)、匹配模式，將待測(cè)圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行比對(duì)識(shí)別，得到相應(yīng)的識(shí)別結(jié)果，檢測(cè)PCB板的焊接質(zhì)量，完成圖像缺陷識(shí)別的功能。

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用LabVIEW軟件平臺(tái)，結(jié)合IMAQ Vision模塊中的函數(shù)，完成定位配準(zhǔn)、圖像預(yù)處理、圖像分割、圖像識(shí)別等功能。IMAQ是強(qiáng)大的視覺開發(fā)函數(shù)庫(kù)，被廣泛應(yīng)用于圖像處理方法中。軟件界面圖如圖1所示。

圖1 電路板檢測(cè)系統(tǒng)界面圖

3 結(jié)論

本文基于LabVIEW中的IMAQ Vision模塊設(shè)計(jì)開發(fā)了電路板檢測(cè)系統(tǒng)，完成了電路板質(zhì)量檢測(cè)功能，節(jié)約了人力成本，提高了電路板測(cè)試效率，軟件穩(wěn)定而高效。