基于TMS320VC5509A DSP芯片实现自动光学检测系统的软硬件设计

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       随着表面组装技术（SMT）中所使用的印制电路板（PCB）导体图形的细线化，SMT元器件的微型化，以及SMT组件的高密度组装和快速组装的发展趋势，采用目检或人工光学检测的形式检测SMT组装质量已不能适应。为此，自动光学检测（AOI）技术作为SMT组装质量检测的主要技术手段，在SMT中应用越来越普遍。
AOI，也称为自动视觉检测，是基于光学原理，综合采用图像分析、计算机和自动控制等多种技术，对生产中遇到的缺陷进行检测和处理，是较新的确认制造缺陷的方法。AOI系统按技术划分为精密机械、电气控制、视觉系统、软件系统4大部分组成，其核心是一套基于CMOS或CCD的图像采集系统、交流伺服控制x、y工作台及图像处理软件系统。图1为所设计的PCB板AOI检测系统框图。

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                        图1 PCB板AOI检测系统框图
                        视觉检测系统硬件设计
                        AOI系统究其本质是一套基于机器视觉技术的表面缺陷检测系统。如何获取高质量的PCB表面图像信息成为PCB光学检测中首要解决的难题和重点，这是PCB表面缺陷检测的关键。由于PCB缺陷的特殊性，AOI系统对视觉采集系统提出了很高的要求：高分辨率、高速率、实时检测等。
                        视觉采集系统
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                        图2 视觉采集系统框图
                        USB通信接口电路
                        本设计采用的DSP芯片TMS320VC5509A集成了一个USB控制模块（USB2.0 full speed），可以完成和USB主机系统之间的读写操作，具有无需外加逻辑电路、使用方便等优点。使用TMS320VC5509A的片上USB模块，完成DSP前端图像采集系统与后台PC机之间的通信硬件电路设计，简化了图像采集系统的硬件控制软件和后台PC机的驱动程序。

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                        图3 TMS320VC5509A的USB接口电路
                        图3为DSP片内USB模块与PC机进行数据通信的硬件接口电路。其中左边3个引脚PU、DP、DN是TMS320VC5509A的片上引脚，右边的6个引脚组成了一个Mini USB接口，利用USB连接线就可以完成与PC机的连接。中间的阻容电路起加强输入输出可靠性的作用。
                        软件程序设计

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                        图4 视觉系统中USB通信数据流
                        如图4所示，本系统中USB通信的软件程序主要由四部分组成。在设备端：设备端驱动程序，也称之为固件程序；设备端应用程序，主要完成数据搬运，以及与其他硬件设备的交互工作。在主机端：主机端驱动程序；主机端应用程序。由于USB是分层结构，主机端驱动和设备端驱动完成对USB设备的枚举和配置；而在主机端应用程序和设备端应用程序之间实现数据的通信。
                        本系统中，DSP作为USB传输的设备端，同时由于USB是严格的主从结构，所有的配置、枚举及数据传输命令都必须由主机下达，所以在设备端的程序设计时，固件程序设计成一个复杂的中断服务程序，用以主机对DSP作为USB设备配置、枚举时的应答。而原本在CCS中运行的DSP采集主程序也必须改写成中断程序，这样才能完成对DSP固件程序和DSP采集程序的整合，使之整合到一个main（）运行程序中，程序运行时，启动对DSP的初始化，时钟配置和USB模块初始化；当主机发出采集图像命令时，DSP程序进入采集中断程序，执行实时采集中断程序；当主机发出USB模块配置枚举命令时，USB中断服务程序对主机做出回应；当主机发出传输图像命令时，DSP程序进入数据搬运中断程序。
4 w7 U2 M- K" c# O                        DSP端的固件程序
1 P$ `$ c6 ?& [6 v1 n                        USB固件程序的结构一般是基于中断处理的。主程序完成必要的初始化之后就等待USB中断，接收到USB中断后依据中断的类型进入不同中断服务程序。USB协议的主从模式决定了USB总线上传输的发起和终止都是主机控制的，因此，固件编程中只要满足了主机的要求，或者说对主机的请求给予了及时的响应，那么固件的编程也就完成了。
                        USB固件应用程序主函数例程：
                        void main（）
                        ｛
1 C# e+ i& `/ Y                        EnableAPLL（ ）;
; d" V; B7 q: {1 m                        //使能USB模块的模拟锁相环
. k4 U/ c" g) n                        CSL_init（ ）;
                        // DSP的CSL库初始化函数
  U) q" o2 a: @9 P- [0 n/ H# v3 ^                        INT_DisableGlobal（）; // 关闭全局中断
                        INT_SetVec（0x03ff00）;
                        // 设置中断向量表在RAM中的地址
                        PLL_Init（48）; // 将USB模块
                        的时钟调整到48MHz
9 p, T- w) F3 X" e5 V                        Collect_main（）; // CMOS图像
. L+ }# Y; I  P0 u6 s2 Y8 y                        采集程序
# L2 o+ \7 D  b& S8 Q                        USBTest_Init（）; // 初始化USB
                        模块，初始化完毕打开全局中断
                        while（1）; // 循环等待状态
( {5 b9 o# R! [7 r# _" H( v                        ｝
$ Y" v& o" e; |1 \' T                        端点0的控制传输是USB枚举的默认传输端口，其中断服务程序是USB固件程序设计的难点和关键。
                        PC端的驱动程序及上位机应用程序
                        PC端的驱动程序及上位机应用程序设计相对比较简单，选用Driver Studio开发工具开发USB驱动程序，Driver Studio对设备驱动程序开发工具DDK中操作进行封装，减少了开发时间，提高了效率。通过Driver Studio的工具Driver wizard生成的驱动程序为开发者提供了一个基本框架，使用者只需修改较少的或者基本不用代码就可以实现相应的功能了。
) y7 h2 C  P3 O3 ?: x1 z4 X# m) Y                        Windows XP中的上位机程序不能直接访问底层的硬件，需要通过驱动程序进行（读、写、中断等）操作。设备的驱动程序由I/O管理器管理和调动。上位机程序在用户模式下通过Win32子系统对Win32API函数进行调用。Win32API函数通过I/O管理器向内核模式下的驱动程序传递IRP。驱动程序通过处理IRP，来完成应用程序和硬件程序信息的交互。访问USB设备驱动的Win32API函数：
                        （1） CreatFile 函数创建或打开文件，并返回一个可用于访问文件的句柄。
+ I  E1 H6 D9 q  c5 b                        （2） DeviceIoControl 函数直接给指定的设备驱动程序发送控制代码，使得相应的设备执行指定操作。函数若成功，返回一个非0值，否则返回0。
                        （3） ReadFile 函数读由文件指针表示的位置开始处的文件读数据，读操作完成后，文件指针调整实际读的字节数。函数若成功，返回一个非0值，否则返回0。
. f5 l2 f! E" D" z5 v* S/ N( w                        （4） CloseHandle 函数关闭打开的文件句柄。函数若成功，返回一个非0值，否则返回0。
                        实验与结论
                        设计实现了一种印制电路板AOI视觉检测系统，包括硬件电路和软件程序。硬件结构简单，可以实现通信传输的高度集成化，传输速率满足AOI检测系统的实时性要求。图5为实验中采集到的PCB板图像。
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                        图5 实验中采集到的PCB板图像

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采用的DSP芯片TMS320VC5509A集成了一个USB控制模块（USB2.0 full speed