容柵式SMT鋼網(wǎng)表面張力在線檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳文娟,李致金

(1.南京林業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，南京 210037；2.南京信息工程大學(xué) 人工智能學(xué)院,南京 210044)

0 引言

鋼網(wǎng)又稱SMT網(wǎng)板、SMT鋼網(wǎng)。它是用來(lái)定量分配錫膏或貼片膠的，是保證印刷錫膏或貼片紅膠質(zhì)量的關(guān)鍵工裝[1]。SMT鋼網(wǎng)表面張力大小直接影響生產(chǎn)印刷狀態(tài)，新導(dǎo)入的鋼網(wǎng)及日常使用中的鋼網(wǎng)均需對(duì)其進(jìn)行張力測(cè)試、評(píng)估、以防止張力不足或過(guò)大影響印刷狀態(tài)。目前工業(yè)上鋼網(wǎng)張力檢測(cè)，一般采用指針式或數(shù)字式的張力計(jì)，測(cè)量鋼網(wǎng)四角和中心位置的張力，然后根據(jù)測(cè)量的張力大小調(diào)整鋼網(wǎng)的擴(kuò)張和繃緊裝置，使得鋼網(wǎng)保持正確的張力。這種檢測(cè)方法是分立手動(dòng)式的，效率很低。重要的是不能對(duì)鋼網(wǎng)使用中的張力進(jìn)行在線檢測(cè)，不能實(shí)現(xiàn)鋼網(wǎng)使用中的智能化管理。因此本鋼網(wǎng)表面張力在線檢測(cè)系統(tǒng)具有首創(chuàng)意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鋼網(wǎng)表面張力在線檢測(cè)和數(shù)據(jù)智能化管理。實(shí)際使用中，將每塊鋼網(wǎng)上貼上含有鋼網(wǎng)相關(guān)信息的RFID標(biāo)簽，RFID閱讀器閱讀到鋼網(wǎng)的標(biāo)簽信息，并將讀取的信息傳輸至STM32F103C8T主控系統(tǒng)。數(shù)字式張力計(jì)依次放置鋼網(wǎng)4個(gè)角落以及中間位置，檢測(cè)放置位置的張力數(shù)據(jù)。主控系統(tǒng)將采集到的鋼網(wǎng)信息和張力數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送至手機(jī)或上位機(jī)中，手機(jī)APP或上位機(jī)管理系統(tǒng)處理接收的各點(diǎn)張力數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)鋼網(wǎng)信息以及張力數(shù)據(jù)的智能化管理。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括：1)容柵式數(shù)字張力計(jì)；2)RFID標(biāo)簽閱讀系統(tǒng)；3)系統(tǒng)主控系統(tǒng)；4)藍(lán)牙傳輸系統(tǒng)；5)鋰電池充電管理系統(tǒng)等電路。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.1 容柵式數(shù)字張力計(jì)

實(shí)現(xiàn)鋼網(wǎng)表面張力在線檢測(cè)和智能化管理，傳統(tǒng)的指針式張力計(jì)無(wú)法做到，需設(shè)計(jì)數(shù)字式張力計(jì)。容柵位移傳感器具有可靠、功耗低、體積小、重量輕、頻響速度快、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)[2]。本系統(tǒng)采用GC7626集成芯片作為容柵式數(shù)字式張力計(jì)數(shù)據(jù)采集芯片，實(shí)現(xiàn)性價(jià)比高的便攜式數(shù)顯式張力檢測(cè)系統(tǒng)[3-4]。GC7626在模擬部分電路和數(shù)字運(yùn)算處理部分做了很多改進(jìn)，具有四舍五入取舍功能以消除 5 μm顯示誤差。與此同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)低至 20 μA 的低功耗。通過(guò)芯片外部的選擇端來(lái)決定選用晶體振蕩器還是 RC 振蕩器，降低芯片應(yīng)用成本。為了適應(yīng)測(cè)量工具不同供電條件和功耗管理的需求，GC7626芯片提供多種用戶可選的手動(dòng)和自動(dòng)的斷電方式。GC7626采用高等級(jí)的工藝平臺(tái)和先進(jìn)的電路設(shè)計(jì)，芯片工作主頻可提高到 280 kHz，可以滿足測(cè)量應(yīng)用中快速響應(yīng)的要求。芯片內(nèi)部集成的電路功能非常豐富，可提供多達(dá) 52 段 LCD 顯示符號(hào)，測(cè)量顯示范圍可達(dá)六位半，測(cè)量精度可達(dá)0.01 mm。同時(shí)備有串行接口輸出端，單片即可滿足各種精密測(cè)量工具的需求。

1.1.1 容柵式傳感器的基本原理

圖2 反射式容柵結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.2 GC7626數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)GC7626為直線尺測(cè)量模式。設(shè)計(jì)原理如圖3所示。

圖3 GC7626控制原理圖

OUT1～OUT8為系統(tǒng)輸出接動(dòng)尺發(fā)射極的1～8電極，COM1～4接液晶公共端，SEG0-SEG13接入液晶的段位腳。GC7626 通過(guò)電容傳感器來(lái)測(cè)量長(zhǎng)度和角度(本設(shè)計(jì)設(shè)置為長(zhǎng)度測(cè)量)。驅(qū)動(dòng)器通過(guò) OUT1～OUT8 終端傳輸調(diào)制信號(hào)到電容傳感器的鎖存電路，并從 TRANS 終端接收反饋信號(hào)。通過(guò)轉(zhuǎn)換相位差信號(hào)成長(zhǎng)度(角度)數(shù)據(jù)，來(lái)顯示測(cè)量結(jié)果。測(cè)量精度可通過(guò)分辨率開(kāi)關(guān)確定，設(shè)置值如表1所示。

表1 GC7276分辨率選擇定義

TRANS為反射電壓信號(hào)接收端TRANSDUCER，ZERO為復(fù)用數(shù)據(jù)時(shí)鐘端(CLK)，F(xiàn)AST為復(fù)用數(shù)據(jù)端(DATA)。需傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，按下FAST鍵，F(xiàn)AST鍵低電平觸發(fā)數(shù)據(jù)傳輸模式，任意位置按下FAST，輸出數(shù)據(jù)組在慢速和快速之間轉(zhuǎn)換，慢速每秒鐘傳輸5組數(shù)據(jù)，快速每秒鐘傳輸37組數(shù)據(jù)。輸出數(shù)據(jù)組傳輸結(jié)束后，系統(tǒng)進(jìn)入等待傳輸狀態(tài)，直至下次FAST鍵按下。TRANS接定尺的輸入信號(hào)。

GC7626采用 ZERO、FAST 這兩個(gè)管腳做功能復(fù)用來(lái)改成了串行輸出測(cè)量數(shù)據(jù)信號(hào)。其中 ZERO 做串行同步信號(hào)，F(xiàn)AST 輸出測(cè)量數(shù)據(jù)信號(hào)。同步信號(hào)與數(shù)據(jù)信號(hào)波形入圖4所示。

圖4 GC7626C 串口同步時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)波形圖

1.1.3 主控系統(tǒng)

本系統(tǒng)以STM32F103C8T6為主控芯片，設(shè)計(jì)有：1)鋰電池充電電路；2)與張力計(jì)通信接口電路；3)鋰電池電量檢測(cè)電路；4)藍(lán)牙傳輸接口電路，設(shè)計(jì)電路圖如圖5所示。張力傳感器檢測(cè)到的張力數(shù)據(jù)通過(guò)ZERO(CLK)和FAST(DATA)接入數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，F(xiàn)AST、DATA)為OC輸出方式，因此本系統(tǒng)接口部分設(shè)計(jì)上拉電阻，如圖5所示。

鋰電池充電電路采用FS4056電池充電管理芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，F(xiàn)S4056是一款高效的單節(jié)鋰電池充電管理芯片，采用恒定電流/恒定電壓線性充電器。鋰電池最高可充到4.2 V，系統(tǒng)電壓是3.3 V。為此，檢測(cè)電池電壓時(shí)，電池電壓經(jīng)電阻R16、R18分壓后才可與STM32F103C8T6的PA1引腳連接進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)與手機(jī)APP采用藍(lán)牙通信，藍(lán)牙模塊選用DX_BT05-A模塊，該藍(lán)牙模塊采用美國(guó)TI公司CC2541芯片，配置256 Kb存儲(chǔ)空間，遵循V4.0 BLE藍(lán)牙規(guī)范。支持AT指令，用戶可根據(jù)需要更改串口波特率、設(shè)備名稱、配對(duì)密碼等參數(shù)。該模塊支持UART接口，并支持SPP藍(lán)牙串口協(xié)議，只需配備少許的外圍元件就能實(shí)現(xiàn)其強(qiáng)大功能。

2 RFID讀寫系統(tǒng)

每塊SMT鋼網(wǎng)貼有一塊含有該鋼網(wǎng)信息的RFID標(biāo)簽。RFID讀寫系統(tǒng)采用13.56 MHz高頻電子標(biāo)簽讀寫系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作，射頻輸出功率1 W，有效距離0.5 mm左右。本系統(tǒng)RFID閱讀器采用先進(jìn)的標(biāo)簽防碰撞算法，識(shí)別率高，速度快，每秒鐘可讀取80個(gè)標(biāo)簽。RFID讀寫系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一個(gè)串口，支持RS232或RS485串行通信協(xié)議。每張鋼網(wǎng)貼上標(biāo)簽，標(biāo)簽中寫入鋼網(wǎng)的相應(yīng)信息。使用中，閱讀器讀取標(biāo)簽中鋼網(wǎng)的相關(guān)信息，通過(guò)串口傳輸至本系統(tǒng)的主控系統(tǒng)中，主控系統(tǒng)將相關(guān)數(shù)據(jù)打包后通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送至手機(jī)APP(或上位機(jī)軟件系統(tǒng))中。

3 軟件系統(tǒng)

本系統(tǒng)軟件包括：1)張力數(shù)據(jù)讀取程序；2)RFID閱讀器數(shù)據(jù)讀取程序；3)藍(lán)牙通信程序；4)鋰電池電量數(shù)據(jù)采集程序；5)手機(jī)APP程序；6)上位機(jī)管理程序。1)～4)程序?yàn)镾TM32F103C8T6主控芯片中程序，用C語(yǔ)言在KEIL C環(huán)境下編程。手機(jī)APP在安卓系統(tǒng)手機(jī)中利用JAVA語(yǔ)言編制。

3.1 張力數(shù)據(jù)讀取程序

GC7626輸出的DATA數(shù)據(jù)分為兩段，前半段數(shù)據(jù)是絕對(duì)位移量、后半段數(shù)據(jù)是相對(duì)位移量。絕對(duì)位移量表示從絕對(duì)零點(diǎn)到測(cè)試位置的絕對(duì)距離，相對(duì)位移量表示從相對(duì)零點(diǎn)到測(cè)試位置的距離，絕對(duì)零點(diǎn)是固定不變的，是上電后系統(tǒng)認(rèn)定的點(diǎn)為零點(diǎn)；相對(duì)零點(diǎn)是靈活變化的，相對(duì)零點(diǎn)是從按鍵 ZERO 按下時(shí)的點(diǎn)為零點(diǎn)。數(shù)據(jù)前后兩段數(shù)據(jù)的讀取間隔是17T(T=6.5 μs)，在每次時(shí)鐘下降沿到來(lái)時(shí)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)讀取，其中需要采集的是后半段24位數(shù)據(jù)[8]。每個(gè)數(shù)據(jù)的寬度是2T，24位數(shù)據(jù)采用二進(jìn)制編碼方式，低位在前、高位在后，最后位代表實(shí)際符號(hào)位(0代表正號(hào)、1代表負(fù)號(hào))[9]。當(dāng)讀取到的相對(duì)位移量的符號(hào)位為1(負(fù)號(hào))時(shí)，需要先將讀取到的相對(duì)位移值進(jìn)行翻轉(zhuǎn)處理之后再進(jìn)行計(jì)算。

主控芯片STM32F103C8T6自動(dòng)讀取GC7626測(cè)量的張力數(shù)據(jù)。STM32F103C8T6先將DATA(PB7)設(shè)置為輸出模式，給出脈沖低電平(模擬按鍵按下)，然后將DATA(PB7)設(shè)置為輸入模式接收數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)讀取。數(shù)據(jù)讀取按24位打包，然后按圖4的數(shù)據(jù)格式解包。

3.2 鋰電池電量數(shù)據(jù)采集程序

STM32F103C8T6提供3個(gè)12 bit位AD轉(zhuǎn)換器，此鋰電池電量數(shù)據(jù)采集時(shí)選用的是ADC1轉(zhuǎn)換器。鋰電池電量數(shù)據(jù)采集程序分為ADC1驅(qū)動(dòng)和電量采集驅(qū)動(dòng)兩部分。在ADC1驅(qū)動(dòng)中又分為讀取ADC1通道采集的電量數(shù)值和ADC1的初始化。根據(jù)求平均值的次數(shù)對(duì)讀取的ADC1通道采集數(shù)值進(jìn)行累加并對(duì)其求多次平均值作為ADC1通道讀取的電量數(shù)值。電量采集程序部分先依據(jù)采集次數(shù)進(jìn)行累加ADC1通道讀取的電量數(shù)值，再由每次采集次數(shù)求出電量平均值。

3.3 主控系統(tǒng)軟件

主控系統(tǒng)將讀取的鋼網(wǎng)標(biāo)簽數(shù)據(jù)、張力計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)及電池電量數(shù)據(jù)按自定的通信協(xié)議，將數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送至手機(jī)或上位機(jī)中。系統(tǒng)依次測(cè)量鋼網(wǎng)左上、右上、左下、右下、中間5個(gè)位置的張力數(shù)據(jù)。張力數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)，拿起張力計(jì)時(shí)，由于數(shù)據(jù)變化較大，主控系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入數(shù)據(jù)待傳輸狀態(tài)，放下張力計(jì)后，數(shù)據(jù)系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入通信程序，其流程如圖6～7所示。

圖6 主控系統(tǒng)軟件流程圖

圖7 主控系統(tǒng)軟件流程圖

4 手機(jī)APP系統(tǒng)

藍(lán)牙作為一種短距離的無(wú)線通訊技術(shù)已經(jīng)在電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用，其能夠?qū)⒉煌O(shè)備連接起來(lái)，克服了有線傳輸線的限制[10]。本系統(tǒng)基于Android系統(tǒng)手機(jī)開(kāi)發(fā)了一套鋼網(wǎng)表面張力管理APP。APP系統(tǒng)主要包括：1)與數(shù)字張力計(jì)藍(lán)牙模塊數(shù)據(jù)通信部分；2)鋼網(wǎng)表面RFID標(biāo)簽識(shí)別，識(shí)別碼通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送至手機(jī)APP中；3)鋼網(wǎng)管理信息庫(kù)。手機(jī)APP系統(tǒng)首先接收藍(lán)牙傳過(guò)來(lái)的鋼網(wǎng)的RFID識(shí)別碼，并以該RFID識(shí)別碼建立相應(yīng)鋼網(wǎng)信息庫(kù)[11]。手機(jī)APP實(shí)時(shí)接收張力計(jì)檢測(cè)的鋼網(wǎng)表面張力值，將該值實(shí)時(shí)存入對(duì)應(yīng)RFID識(shí)別碼編碼的鋼網(wǎng)信息庫(kù)中，通過(guò)將該數(shù)值與預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)張力閾值進(jìn)行比對(duì)，判斷該點(diǎn)張力數(shù)據(jù)是否標(biāo)準(zhǔn)。如不在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，則在界面上輸出相應(yīng)的報(bào)警信息。當(dāng)鋼網(wǎng)張力數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，系統(tǒng)將數(shù)字存入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，程序流程如圖6～7所示。

為了實(shí)現(xiàn)鋼網(wǎng)管理系統(tǒng)的智能化，系統(tǒng)在APP界面中設(shè)計(jì)了操作員工二維碼或條形碼工號(hào)閱讀功能。實(shí)際工作時(shí)，操作員先用手機(jī)掃描自己工號(hào)二維碼或條碼，只有有權(quán)限的操作元才能操作在線檢測(cè)系統(tǒng)，從而真正實(shí)現(xiàn)鋼網(wǎng)生產(chǎn)管理的智能化。鋼網(wǎng)管理APP管理主界面如圖8所示。

圖8 手機(jī)APP管理界面

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本系統(tǒng)為PCB印刷中SMT鋼網(wǎng)表面張力智能測(cè)試系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用中。操作人員手機(jī)上安裝自主研發(fā)的配套的APP，操作員打開(kāi)APP操作系統(tǒng)后，用攝像頭先掃描自己的二維碼或條碼工號(hào)，輸入相應(yīng)口令后進(jìn)入手機(jī)操作系統(tǒng)。為了防止張力計(jì)本身誤差引起的鋼網(wǎng)張力測(cè)量不準(zhǔn)，本系統(tǒng)進(jìn)行張力測(cè)量時(shí)需操作員輸入測(cè)試張力計(jì)編號(hào)，以便張力測(cè)量問(wèn)題追溯。完成以上操作后，操作員將SMT鋼網(wǎng)搬至RFID閱讀器的閱讀范圍里，閱讀器讀取鋼網(wǎng)編號(hào)，并顯示在屏幕上。鋼網(wǎng)張力測(cè)量時(shí)，一般需測(cè)量5個(gè)值，即4個(gè)角落張力以及中間部位張力，如圖8所示。采用本系統(tǒng)測(cè)量的張力數(shù)據(jù)與品牌STG-80NA張力計(jì)測(cè)量張力數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 張力測(cè)量對(duì)照表

由表2可看出，測(cè)量同一點(diǎn)表面張力時(shí)，本系統(tǒng)研制的張力測(cè)量系統(tǒng)達(dá)到測(cè)量精度的要求，完全可用于SMT鋼網(wǎng)表面的張力測(cè)量。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)一套自動(dòng)數(shù)字式鋼網(wǎng)表面張力在線檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)容柵式數(shù)字張力計(jì)、張力計(jì)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、鋼網(wǎng)標(biāo)簽閱讀系統(tǒng)、表面張力在線檢測(cè)軟件系統(tǒng)、手機(jī)APP系統(tǒng)等組成部分。通過(guò)容柵式數(shù)字張力計(jì)、鋼網(wǎng)標(biāo)簽信息、手機(jī)APP系統(tǒng)三者協(xié)同工作，解決了工業(yè)生產(chǎn)印刷時(shí)鋼網(wǎng)表面張力無(wú)法實(shí)時(shí)檢測(cè)的難題，解決了鋼網(wǎng)生產(chǎn)時(shí)智能化管理的核心問(wèn)題。本系統(tǒng)在實(shí)際鋼網(wǎng)生產(chǎn)中已通過(guò)計(jì)量認(rèn)證并投入使用，提高了工廠生產(chǎn)效率和自動(dòng)化水平，為協(xié)作單位帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。