基于機(jī)器視覺技術(shù)的軍用集成電路測(cè)試序列號(hào)讀取裝置

唐 震，戴 瑩，鄒巧云，陳光耀，朱 濤

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無錫 214072）

1 引言

身份證是個(gè)人獨(dú)有的、終身不變的唯一身份代碼，對(duì)于電路來說，序列號(hào)就是它獨(dú)一無二的身份證。序列號(hào)由一組規(guī)則數(shù)字組成，通過追溯這些數(shù)字，可獲悉這只電路從原材料、生產(chǎn)到檢驗(yàn)、運(yùn)輸?shù)冗^程中的經(jīng)歷。目前，檢測(cè)單位在軍品集成電路（特別是宇航產(chǎn)品）測(cè)試過程中，需要提取電路中的序列號(hào)來一一對(duì)應(yīng)測(cè)試數(shù)據(jù)，用于追溯每只電路的過程狀態(tài)。軍品集成電路結(jié)構(gòu)多為對(duì)稱分布，無論正向放置或反向放置均可放入插座，一旦方向錯(cuò)誤（放反）就有可能造成集成電路的損壞甚至報(bào)廢。手動(dòng)輸入測(cè)試序列號(hào)需要裸眼正確識(shí)別并正確輸入到測(cè)試機(jī)中，耗時(shí)大于測(cè)試時(shí)間，嚴(yán)重影響測(cè)試機(jī)產(chǎn)出效率，且人工裸眼識(shí)別核對(duì)電路放置方向有判斷錯(cuò)誤或漏判導(dǎo)致放反的風(fēng)險(xiǎn)。

技術(shù)的革新帶動(dòng)了生產(chǎn)的變革。機(jī)器視覺識(shí)別技術(shù)已趨于成熟，將其應(yīng)用到序列號(hào)的識(shí)別過程中，已不存在技術(shù)瓶頸。機(jī)器視覺技術(shù)模擬人的視覺功能，從客觀事物的圖像中提取信息進(jìn)行處理并加以理解，最終用于實(shí)際檢測(cè)、測(cè)量和控制，既能避免因人而異的檢測(cè)結(jié)果，減小誤差，又能提高效率和準(zhǔn)確度。

基于愛德萬V93K 測(cè)試平臺(tái)，本文設(shè)計(jì)了一款軍用集成電路在線檢測(cè)的序列號(hào)自動(dòng)識(shí)別裝置。它能夠?qū)㈦娐繁砻娴男蛄刑?hào)通過機(jī)器視覺識(shí)別技術(shù)識(shí)別、記錄，并對(duì)應(yīng)到測(cè)試機(jī)的測(cè)試數(shù)據(jù)中；而且，它可實(shí)現(xiàn)在電路測(cè)試之前識(shí)別電路擺放角度，避免電路在測(cè)試機(jī)臺(tái)上放反，導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或電路被燒毀。

2 序列號(hào)讀取裝置設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)基于V93K 測(cè)試機(jī)，設(shè)計(jì)序列號(hào)讀取裝置，自動(dòng)讀取序號(hào)，并與測(cè)試數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)。為適應(yīng)軍用集成電路的特點(diǎn)，該系統(tǒng)針對(duì)序列號(hào)的識(shí)別與讀取，需解決如下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題。

（1）通用性問題：系統(tǒng)需要支持不同型號(hào)的電路，如不同封裝形式、不同打標(biāo)方式、不同尺寸等。

（2）與測(cè)試機(jī)數(shù)據(jù)同步傳輸問題：序列號(hào)信息需要同步存儲(chǔ)到測(cè)試數(shù)據(jù)中，保證序列號(hào)與測(cè)試項(xiàng)數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)。

（3）異常字符處理：字符難免有一些異常的情況，例如油污、破損、劃痕及特殊字符干擾等。

為實(shí)現(xiàn)序列號(hào)的自動(dòng)讀取與應(yīng)用，將對(duì)上述關(guān)鍵問題進(jìn)行研究。

2.1 序列號(hào)讀取裝置設(shè)計(jì)

基于V93K 平臺(tái)軍用集成電路測(cè)試序列號(hào)讀取裝置設(shè)計(jì)如圖1 所示。此結(jié)構(gòu)包括工業(yè)相機(jī)、鏡頭、光源、工控機(jī)、電源、顯示器和伸縮套筒機(jī)械臂等，經(jīng)過組裝安裝在一個(gè)可移動(dòng)小車上，通過伸縮套筒機(jī)械臂可使工業(yè)相機(jī)進(jìn)行上下、左右、前后位置的調(diào)節(jié)，并通過TCP/IP 或COM 通信協(xié)議與V93K 測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)軍用集成電路序列號(hào)自動(dòng)讀取測(cè)試。

圖1 V93K 平臺(tái)軍用集成電路測(cè)試序列號(hào)讀取裝置

由于軍用集成電路小批量、多品種的特點(diǎn)，序列號(hào)讀取裝置需要支持多種封裝類型的集成電路表面序列號(hào)識(shí)別，因此對(duì)該裝置的技術(shù)指標(biāo)高于單一集成電路序號(hào)的識(shí)別。該裝置主要功能和技術(shù)指標(biāo)如下：

1)系統(tǒng)兩種光源可調(diào)，可適應(yīng)不同的電路，可支持的電路封裝材料類型包含金屬、陶瓷和塑料，可支持的字符類型包括油墨印刷、激光打??；

2)單個(gè)電路的識(shí)別時(shí)間小于700 ms，可支持的電路尺寸為最小3 mm×3 mm，最大50 mm×50 mm；

3)序列號(hào)的識(shí)別誤判率低于0.5%；

4)放置角度不對(duì)時(shí)，軟件界面上以紅色報(bào)警燈進(jìn)行提示；

5)序列號(hào)信息通過TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳送給測(cè)試機(jī)，作為測(cè)試項(xiàng)參數(shù)自動(dòng)寫入測(cè)試數(shù)據(jù)；

6)在線創(chuàng)建模板，以電路型號(hào)作為唯一標(biāo)識(shí)記錄在系統(tǒng)中；

7)檢測(cè)開始后，系統(tǒng)調(diào)用對(duì)應(yīng)的模板進(jìn)行角度和序列號(hào)的識(shí)別；

8)結(jié)構(gòu)在xyz方向上可調(diào)，易于拆裝和重復(fù)定位。

序列號(hào)讀取裝置滿足上述指標(biāo)后，與V93K 測(cè)試平臺(tái)搭配進(jìn)行工作，可有效減少人工讀取的差錯(cuò)，提高工作效率。

2.2 實(shí)現(xiàn)視覺識(shí)別的上位機(jī)軟件

實(shí)現(xiàn)視覺識(shí)別的上位機(jī)軟件用于識(shí)別電路放置方向以及電路表面的序列號(hào)字符，包括集成圖像采集、字符識(shí)別、方向判別、數(shù)據(jù)傳輸、模板創(chuàng)建等功能。打開軟件后左邊窗口會(huì)實(shí)時(shí)顯示相機(jī)視野中電路的成像情況，利用窗口中電路的位置，再次微調(diào)相機(jī)的前后左右位置，使電路位于圖像中心位置。然后調(diào)整相機(jī)上下工作距離，一般保持相機(jī)與電路的垂直距離為280 mm 為佳。若沒有測(cè)量條件，也可通過圖像的清晰度來判斷相機(jī)垂直方向的距離是否合適，當(dāng)圖像上顯示的電路輪廓以及字符清晰可見即證明調(diào)整到位。

序列號(hào)測(cè)試流程如圖2 所示。電路第一次檢測(cè)時(shí)需要建立比對(duì)標(biāo)件模板即創(chuàng)建新的模板，新建模板時(shí)將隨機(jī)樣品電路以正確方向放置到測(cè)試插座中，插座蓋呈打開狀態(tài)，軟件啟動(dòng)后先確認(rèn)圖像中的芯片輪廓和序列號(hào)字體是否清晰，同時(shí)調(diào)節(jié)軟件界面上的光源亮度進(jìn)度條，增強(qiáng)芯片輪廓、字符與背景的對(duì)比度后用鼠標(biāo)框出需要識(shí)別的區(qū)域。系統(tǒng)通過采集電路待識(shí)別區(qū)域的表面標(biāo)識(shí)，將其存儲(chǔ)為一幀圖片并可按照使用需要作為模板重新命名，下次可以直接調(diào)用。若需要檢測(cè)的芯片是已經(jīng)創(chuàng)建過模板的，只需要在軟件主界面上輸入芯片的型號(hào)，點(diǎn)擊“輸入型號(hào)”即可。創(chuàng)建好新的模板或者輸入已有模板之后，可以開始檢測(cè)。

圖2 序列號(hào)測(cè)試流程

V93K 檢測(cè)時(shí)，將待檢測(cè)樣品放置在插座中，插座蓋呈打開狀態(tài)，點(diǎn)擊空格鍵，軟件將自動(dòng)識(shí)別出的電路標(biāo)識(shí)狀態(tài)與標(biāo)件進(jìn)行比對(duì)以獲得方向角度信息，通過視覺技術(shù)識(shí)別出電路打印數(shù)字序列號(hào)，方向正確時(shí)（電路正放）綠燈亮起，表示當(dāng)前放置的電路方向正確，序列號(hào)已讀取，如圖3（a）所示；方向錯(cuò)誤時(shí)（電路反放）紅燈亮起，表示放置的電路方向出錯(cuò)，需要重新擺放，如圖3（b）所示。（本文研究的裝置需進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，理論上可通過搭配機(jī)械手臂實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整。）在完成正確擺放后序列號(hào)信息通過網(wǎng)口發(fā)送到V93K 通訊接口上，供V93K 測(cè)試機(jī)讀取。

圖3 電路放置方向測(cè)試

2.3 實(shí)現(xiàn)V93K 平臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)程序的網(wǎng)口通訊

V93K 測(cè)試系統(tǒng)底端權(quán)限開放相對(duì)靈活，可以通過網(wǎng)口或串口的方式與序列號(hào)識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行通訊。另外，在研究與V93K 測(cè)試系統(tǒng)的同步傳輸時(shí)調(diào)研了國內(nèi)其他測(cè)試平臺(tái)同步傳輸?shù)目尚行?，發(fā)現(xiàn)除泰瑞達(dá)需用戶進(jìn)行定制UI 開發(fā)外，一般國產(chǎn)測(cè)試系統(tǒng)廠家均可通過網(wǎng)口或串口方式實(shí)現(xiàn)。

序列號(hào)識(shí)別系統(tǒng)連接局域網(wǎng)，將檢測(cè)出來的序列號(hào)按照TCP/IP 或COM 通信協(xié)議發(fā)送給V93K 測(cè)試系統(tǒng)，作為測(cè)試項(xiàng)參數(shù)記錄在測(cè)試機(jī)輸出的測(cè)試數(shù)據(jù)中。V93K 測(cè)試系統(tǒng)無需變化，原程序只需要增加一個(gè)testSuit 即可。步驟如下：

1)增加TestMethod，XLH.cpp;

2)確認(rèn)序列號(hào)識(shí)別系統(tǒng)IP 地址，若IP 不一致，需要更改XLH.cpp 中對(duì)應(yīng)IP 地址，位置代碼如下:remote_addr.sin_addr.s_addr=inet_addr("10.119.82.231");

3) testFlow 中調(diào)用XLH.cpp，直接復(fù)制接觸testSuit，放在接觸測(cè)試后面，和接觸采用相同bin,更改TestMethod 為XLH。

目前識(shí)別的最大序列號(hào)為9999999999 (10 個(gè)9)，如果序列號(hào)識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別異常，會(huì)給V93K 發(fā)送-1，測(cè)試程序會(huì)上報(bào)FAIL。程序執(zhí)行時(shí)間1.5 ms，基本不影響原程序測(cè)試時(shí)間。V93K 測(cè)試系統(tǒng)序列號(hào)顯示如圖4所示，測(cè)試項(xiàng)XLH_number 值為3181042.0000，該電路的序列號(hào)即為3181042。

圖4 V93K 測(cè)試系統(tǒng)序列號(hào)顯示

2.4 識(shí)別驗(yàn)證

（1）在線創(chuàng)建模板，模板數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在系統(tǒng)中，一次創(chuàng)建可重復(fù)使用，模板數(shù)據(jù)包括芯片本身圖像數(shù)據(jù)、序列號(hào)的位置信息、當(dāng)前光照條件信息；

（2）系統(tǒng)可支持網(wǎng)口和串口通訊，將每一次識(shí)別的序列號(hào)通過通訊接口，保證數(shù)據(jù)傳輸同步，序列號(hào)作為芯片的測(cè)試項(xiàng)保存在測(cè)試數(shù)據(jù)中；

（3）算法中通過對(duì)字符區(qū)域不規(guī)則性進(jìn)行判斷，提前剔除異?；蛘邔?duì)異常進(jìn)行修復(fù)，以提高識(shí)別的準(zhǔn)確度。

視覺算法驗(yàn)證初期對(duì)不同封裝形式的油墨打印、激光打印標(biāo)識(shí)進(jìn)行了測(cè)試，收集了大量的數(shù)據(jù)模型。在光照條件調(diào)整到位的情況下，識(shí)別出每個(gè)電路上打印的序列號(hào)的準(zhǔn)確率可達(dá)99.5%以上，電路序列號(hào)識(shí)別結(jié)果如圖5 所示，這些電路序列號(hào)均能正常識(shí)別。

圖5 電路序列號(hào)識(shí)別正常

3 序列號(hào)讀取測(cè)試效果

為了對(duì)比使用該自動(dòng)讀取裝置配合V93K 平臺(tái)進(jìn)行序列號(hào)測(cè)試與采用人工讀取的傳統(tǒng)方式進(jìn)行測(cè)試的效果，針對(duì)3 種型號(hào)，分別用手動(dòng)改號(hào)和自動(dòng)識(shí)別兩種方式對(duì)1195 個(gè)芯片進(jìn)行2891 次測(cè)試統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1 所示。時(shí)間節(jié)省率分別為51.02%、47.90%、43.08%。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，使用該設(shè)備之后，序列號(hào)自動(dòng)識(shí)別測(cè)試效率、識(shí)別準(zhǔn)確性均得到提高，節(jié)約測(cè)試機(jī)時(shí)約47%。

表1 V93K 平臺(tái)軍用集成電路測(cè)試序列號(hào)讀取比對(duì)表

以1 臺(tái)V93K 測(cè)試系統(tǒng)為例，所節(jié)約的機(jī)時(shí)用于生產(chǎn)，可增加1100 只電路的月通量，每臺(tái)機(jī)時(shí)節(jié)約價(jià)值按照一年機(jī)臺(tái)工作天數(shù)×每天測(cè)試時(shí)間×電路占用產(chǎn)能比×節(jié)約的機(jī)時(shí)×機(jī)時(shí)費(fèi)（平均200 元/h）計(jì)算，每臺(tái)設(shè)備每年機(jī)時(shí)節(jié)約價(jià)值約為350 天（扣除春節(jié)休假）×20 h×40%×47%×200 元/h=263200 元，扣除系統(tǒng)成本約10 萬元，每臺(tái)直接節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本163200 元。除了有形成本（產(chǎn)能、準(zhǔn)確度）外還有無形成本，自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)能大大降低人工改號(hào)錯(cuò)誤、重復(fù)返工的幾率，提高了產(chǎn)線數(shù)據(jù)核查流轉(zhuǎn)的效率，其產(chǎn)生的附加值更高。

4 結(jié)論

基于V93K 平臺(tái)軍用集成電路測(cè)試序列號(hào)讀取設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電路方向“防呆”，對(duì)電路放置位置提出預(yù)警，避免人為或機(jī)械性操作帶來的疏忽，序列號(hào)獲取的準(zhǔn)確度大大提升，避免了人為因素導(dǎo)致對(duì)測(cè)試結(jié)果可信度的追溯，將機(jī)器視覺識(shí)別技術(shù)與測(cè)試平臺(tái)相結(jié)合產(chǎn)生的檢測(cè)系統(tǒng)在行業(yè)內(nèi)尚屬首例，將為后續(xù)技術(shù)革新提供參考。