基于ARM的嵌入式打孔机系统研究

 引言
印制电路板（PCB）是电气装置、电子仪器及电子计算机等电类设备中必不可少的部件，而且随着国内电子工业的快速发展以及集成电路的广泛应用，制作PCB板的各项精度指标要求越来越高[1]。
自动打孔机，它通过图像处理方式，实时在所获图像中查找符合要求的圆心位置，然后计算出钻头中心与当前圆心的坐标偏差，同时把偏差结果发送给XY运动控制系统以移动钻头到孔心上方，最后进行打孔[2]。该设备能够大幅度地提高PCB定位孔加工精度与速度。
1 系统结构与工作流程
打孔机控制系统的整体框图如图1所示，该控制系统的核心是ARM11芯片S3S6410，绝大部分控制任务都是由它来完成的，包括图像数据的采集与处理、步进电机的控制信号处理、人机交互处理等；摄像头采用模拟CCD摄像头，通过数字视频解码芯片TVP5150对PAL视频信号进行AD解码，输出8-bit ITU-R BT.656数据到S3S6410芯片进行处理；运动控制系统采用驱动器+步进电机模式，通过步进电机驱动器分别控制定位步进电机和控制汽缸的电磁阀；人机交互模块采用触摸屏方式进行操作，方便快捷。
当系统设定工作模式为全自动模式时，其整个工作流程如图2所示。在参数设置中，特别需要注意校准像素间距和实际物理距离的映射关系。
2 快速图像算法定位圆心
在经典Hough变换在执行过程中，需要对图像中的每一个边界象素点进行运算，而且Hough变换检测圆需要在三维参数空间A（a，b，r）中采用三维累加器进行处理，因此运算数据量非常庞大。鉴于此，基于经典Hough变换的统计聚类思想，结合PCB板圆孔半径r能预先获知的实际情况，本文提出了一种快速提取圆心坐标的算法。
利用三点确定圆原理初步找出圆心。该圆心定位的基本原理是三点共圆的逆变换。在圆的边缘上任意选取一点A作为起始点，如图3所示，然后沿着圆边缘顺时针（或逆时针）方向间隔n个像素点（n值选取不宜过大）取一点B，将这两个点A与B组成圆的第一个点组，做AB弦的中垂线l1，取得l1在AB远方与圆的交点I。
至此，由A、B和I三点可以算出一个圆心坐标O1。设定A点坐标为（xa，ya），B点坐标为（x■，y■），I点坐标为（xi，yi），则圆心O1坐标（x■，y■）可以通过公式（1）求取：
（x-xi）2+（y-yi）2=r2x-xi=■（y-yi）（1）
其中xab=■yab=■
同理，只要在待测圆边缘上间隔n个像素点选取2N个边缘点C、D、E等，然后将这2N个边缘点中隔为n像素的边缘点两两连接（即得到N条弦），再分别获取这N条弦的垂直平分线与圆边缘的交点Pi（0最后，通过公式（2）求取这N-2个圆心坐标的算术平均值作为冲孔圆心：■=■■x■■=■■y■（2）
3 应用与结果分析
为验证该嵌入式冲孔机的实际效果，选用多组PCB薄膜片分别进行大量冲孔测试，然后将冲孔前图像和冲孔后图像进行对比分析，如图4所示（该图列中第1列为冲孔前图像，第2列为冲孔后图像）。
通过大量测试实验可知，该嵌入式冲孔机针对各类较复杂背景下的图形进行圆心定位和冲孔，能够获得一个比较准确、稳定的结果，能够满足实际冲孔要求。
4 结束语
该嵌入式打孔机系统运用图像算法进行圆心查找，采用ARM11 处理器来处理图像数据的采集与处理、步进电机的控制信号处理等工作。经过现场初步的整机调试，各项性能指标达到了预期设计目标，即冲孔误差为小于0.0l5mm，钻孔速度平均为0.35s/个。