1 引言

石英晶體片是石英晶體振蕩器的，封裝外殼后即成為石英晶體振蕩器，是電子設(shè)備中應(yīng)用非常廣泛的一種電子元件。在石英晶體片的生產(chǎn)過程中，要經(jīng)過切割、研磨等工藝過程，其中一部分石英晶體片會產(chǎn)生崩邊、掉碴、裂紋、斷裂、劃傷等物理缺陷，這樣的殘片必須篩選出來。目前生產(chǎn)過程中主要是依靠人工，通過目視方法檢驗石英晶體片存在的缺陷。這種方法存在如下弊端：

1) 檢驗結(jié)果不統(tǒng)一。缺陷的形狀千差萬別，由于人的視覺及思維的差別，對存在的缺陷很難用準確的圖形和文字描述，因此既沒有行業(yè)標準，各企業(yè)也沒有量化的檢驗標準，即使是同一個操作人員，兩次檢驗結(jié)果也不完全一樣。

2) 檢驗結(jié)果易受人為因素影響。由于工作枯燥、持續(xù)時間長、眼睛容易疲勞，檢驗完全是憑感覺，檢驗結(jié)果在很大程度上取決于人的精神和身體狀態(tài)。

隨著計算機、圖像處理、通訊以及控制技術(shù)的飛速發(fā)展，目前已經(jīng)具備了改變石英晶體片檢驗現(xiàn)狀的技術(shù)基礎(chǔ)。筆者研制了一種基于圖像處理的光機電一體化石英晶體片分選系統(tǒng)。為石英晶體片品質(zhì)篩選開辟了新的途徑。

2 系統(tǒng)工作原理

石英晶體片品質(zhì)分選系統(tǒng)是光機電一體化的高技術(shù)設(shè)備，采用計算機圖像處理技術(shù)識別石英晶體片品質(zhì)，在完成對樣本的人工建模后，能自動完成石英晶體片輸送、檢測、分類，可以完全取代人工檢測，大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

石英晶體片品質(zhì)分選系統(tǒng)從硬件上分為物料輸送、分選機構(gòu)、圖像采集、控制器、電源和電腦主機6個組成單元，如圖1所示。從軟件上分為控制器軟件和圖像處理軟件包兩部分。

物料輸送單元是由振動輸料器和驅(qū)動電路組成，實現(xiàn)物料的自動輸送。其中振動輸料器包括圓振和直振兩部分，圓振同時也是桶形料倉。在桶壁上有從底到頂?shù)穆菪€形料道，石英晶體片在振動的作用下，沿料道形成連續(xù)、整齊的排列運動，終到達料倉出口。直振的人口與圓振的出口相連，在直振的出口處有一個光電開關(guān)，用于檢測該位置是否存在石英晶體片。石英晶體片在振動的作用下直線行走，當停止振動時即運動停止。

分選機構(gòu)單元由步進電機、檢測盤、分選盤和電磁鐵組成。檢測盤和分選盤安裝在步進電機軸上，由步進電機驅(qū)動同步旋轉(zhuǎn)。檢測盤和分選盤上都均勻分布了8個孔，分選盤底部帶有翻蓋，并在翻蓋上安裝有磁鋼。當檢測盤靜止時。直振的出口對準檢測盤上的一個孔，石英晶體片可以落入檢測盤。同時檢測盤上的下一個孔位與光學顯微鏡頭相對應(yīng)。分選盤靜止位置下安裝有電磁鐵。電磁鐵通電后翻蓋打開，使該孔內(nèi)的石英晶體片落入料盒內(nèi)。

圖像采集單元由光學顯微鏡、CCD攝像頭和高分辨率圖像捕捉卡組成。圖像捕捉卡安裝在電腦主機中。通過調(diào)節(jié)光學顯微鏡的焦距和放大倍數(shù)，可以獲得滿意的圖像。CCD攝像頭實現(xiàn)圖像的光電轉(zhuǎn)換，圖像捕捉卡終完成計算機成像。

控制器單元由單片機和USB通信接口、步進電機驅(qū)動電路、電磁鐵驅(qū)動電路、振動盤輸料器控制電路等組成。單片機通過USB通信接口接收控制命令和分類命令，從而控制整個系統(tǒng)的機械動作。

圖像處理軟件是基于Windows操作系統(tǒng)的應(yīng)用軟件，具有人機對話、樣本生成、圖像數(shù)字處理、分類及管理全系統(tǒng)的功能。該軟件采用VC++語言編寫。

以一個石英晶體片的分選過程為例，系統(tǒng)工作原理如下：

物料輸送單元是由振動輸料器和驅(qū)動電路組成，實現(xiàn)物料的自動輸送。其中振動輸料器包括圓振和直振兩部分，圓振同時也是桶形料倉。在桶壁上有從底到頂?shù)穆菪€形料道，石英晶體片在振動的作用下，沿料道形成連續(xù)、整齊的排列運動，終到達料倉出口。直振的人口與圓振的出口相連，在直振的出口處有一個光電開關(guān)，用于檢測該位置是否存在石英晶體片。石英晶體片在振動的作用下直線行走，當停止振動時即運動停止。

分選機構(gòu)單元由步進電機、檢測盤、分選盤和電磁鐵組成。檢測盤和分選盤安裝在步進電機軸上，由步進電機驅(qū)動同步旋轉(zhuǎn)。檢測盤和分選盤上都均勻分布了8個孔，分選盤底部帶有翻蓋，并在翻蓋上安裝有磁鋼。當檢測盤靜止時。直振的出口對準檢測盤上的一個孔，石英晶體片可以落入檢測盤。同時檢測盤上的下一個孔位與光學顯微鏡頭相對應(yīng)。分選盤靜止位置下安裝有電磁鐵。電磁鐵通電后翻蓋打開，使該孔內(nèi)的石英晶體片落入料盒內(nèi)。

圖像采集單元由光學顯微鏡、CCD攝像頭和高分辨率圖像捕捉卡組成。圖像捕捉卡安裝在電腦主機中。通過調(diào)節(jié)光學顯微鏡的焦距和放大倍數(shù)，可以獲得滿意的圖像。CCD攝像頭實現(xiàn)圖像的光電轉(zhuǎn)換，圖像捕捉卡終完成計算機成像。

控制器單元由單片機和USB通信接口、步進電機驅(qū)動電路、電磁鐵驅(qū)動電路、振動盤輸料器控制電路等組成。單片機通過USB通信接口接收控制命令和分類命令，從而控制整個系統(tǒng)的機械動作。

圖像處理軟件是基于Windows操作系統(tǒng)的應(yīng)用軟件，具有人機對話、樣本生成、圖像數(shù)字處理、分類及管理全系統(tǒng)的功能。該軟件采用VC++語言編寫。

以一個石英晶體片的分選過程為例，系統(tǒng)工作原理如下：

1) 控制器控制直振起振，一個石英晶體片落人檢測盤的孔內(nèi)。直振上的光電信號反饋到控制器，直振停止。

2) 步進電機旋轉(zhuǎn)45°，剛落入檢測盤的石英晶體片被送到光學顯微鏡的鏡頭下，控制器向電腦主機發(fā)出定位完成信號。

3) 接收到定位完成信號后，電腦主機上的圖像處理軟件包首先調(diào)用攝像程序，拍攝石英晶體片圖像。然后電腦主機再向控制器發(fā)出攝像完畢信號，調(diào)用圖像處理程序，按事先制訂的規(guī)則分類，并將分類結(jié)果發(fā)送至控制器。

4) 控制器接收到攝像完畢信號后啟動步進電機。

5) 在步進電機旋轉(zhuǎn)過程中，石英晶體片從檢測盤落入分選盤。

6) 控制器接收到分類結(jié)果后，在步進電機停止時，根據(jù)分類結(jié)果驅(qū)動相應(yīng)的電磁鐵，使翻蓋打開，石英晶體片落入相應(yīng)的容器內(nèi)。

在生產(chǎn)中上述步驟是連續(xù)、同步的，由于檢測盤的運行速度較慢，圖像處理基本上是在檢測盤運行過程中進行的。而裝入石英晶體片、攝像、卸料等動作是在步進電機的每停止中實現(xiàn)的。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

硬件電路包括USB接口器件CH375、電磁鐵驅(qū)動橋路、直振光電信號比較器、單片機P89LPC932以及步進電機驅(qū)動器等。

步進電機驅(qū)動器與步進電機配套使用，本系統(tǒng)選用的驅(qū)動器旋轉(zhuǎn)方向可以設(shè)定，不再更改。驅(qū)動信號為脈沖串，脈沖數(shù)決定了旋轉(zhuǎn)角度，脈沖頻率決定了旋轉(zhuǎn)速率。脈沖輸入使得單片機與驅(qū)動器的連接非常簡單，本系統(tǒng)中單片機的T2定時器設(shè)置成自動重裝載時間常數(shù)的定時器，用以控制脈沖頻率。將P1.0設(shè)置成自動裝載脈沖輸出并與T0連接，T0設(shè)置成計數(shù)器方式，裝入輸出脈沖數(shù)，當其中的計數(shù)減為0時，停止P1.0的脈沖輸出。

電磁鐵驅(qū)動橋路如圖2所示。分選盤的翻蓋上鑲嵌一個磁鋼，翻蓋本身是靠彈簧施壓關(guān)閉的。給電磁鐵通電使其產(chǎn)生與磁鋼相反的磁性，就可打開翻蓋。再給電磁鐵反向通電，使其產(chǎn)生與磁鋼相同的磁性，加快翻蓋關(guān)閉速度。電磁鐵驅(qū)動電路采用全橋結(jié)構(gòu)，線圈接在兩個橋臂的中點上。當兩個輸入端中的任意一個為高電平時，使一個橋臂的上半部分和另一個橋臂的下半部分導通，電磁鐵動作。當輸入端都是低電平時，橋路不關(guān)斷，電磁鐵不動作。

控制器與電腦主機的通訊是通過CH375 USB接口電路實現(xiàn)的。為了提高生產(chǎn)效率，希望盡可能提高控制器與電腦主機通訊的實時性，考慮到傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量并不大，采用USB通訊的響應(yīng)速度可以滿足要求。單片機的中斷輸入INT0接收CH375的INT信號，P1.1輸出連接CH375的A0，選擇數(shù)據(jù)／命令方式。T1設(shè)置為定時器模式，用于控制電磁鐵的導通時間。

控制器的中斷源分配為：INT0：USB口中斷；INT1：直振光電信號；T0：計數(shù)器方式，驅(qū)動步進電機的脈沖計數(shù)；T1：定時器方式，電磁鐵導通時間定時。

4 控制器軟件設(shè)計

進行控制器軟件設(shè)計時，考慮到有4個中斷源，因此將一些耗時較長的復雜計算、判斷等放在主循環(huán)程序中。程序采用C51編寫、調(diào)試，INT0中斷(CH375)函數(shù)流程如圖3所示，T1、T0中斷函數(shù)流程分別如圖4、圖5所示。

5 圖像處理

圖像處理軟件包的作用是通過圖像數(shù)字處理的方法對石英晶體片進行缺陷檢測、分類、統(tǒng)計和顯示，并將分類結(jié)果發(fā)送至控制器。該系統(tǒng)既可以處理矩形石英晶體片，也可以處理圓形石英晶體片，這兩種形狀不同的石英晶體片的處理流程是不一樣的。考慮到圖像處理技術(shù)屬另一門學科，過于詳細的敘述會使文章冗長且難以理解，本文僅以圓形石英晶體片的炸心缺陷為例，簡單介紹系統(tǒng)是如何對圖像進行數(shù)字處理，完成分類的。

圓形石英晶體片的缺陷主要有：炸心、劃痕、陰影、崩邊、炸口、斷裂等。每一種缺陷都有相應(yīng)的編碼。系統(tǒng)通過對合格品的圖像建模，產(chǎn)生一個樣本模板。生產(chǎn)過程中每一個石英晶體片的圖像都與模板相比較，如果沒有差別就是合格品，如果有差別再按不同的判定準則逐一判別，直到產(chǎn)生缺陷編碼為止。 本系統(tǒng)采用單色攝像頭，所得圖像是256級灰度。石英晶體片的完好部分與缺陷部分在灰度等級上存在一定差別，各種不同的缺陷灰度等級也不相同，缺陷有一定的形狀、面積并占據(jù)某一位置，這些特征都是對石英晶體片檢測和分類的依據(jù)。

炸心缺陷的檢測過程如下：

1) 邊緣檢測。使用Prewitt邊緣檢測法，對圓形石英晶片的實際目標進行邊緣檢測，然后用相應(yīng)的門限值進行二值化。將經(jīng)過二值化后的圖像與模板相比較，取出兩者都是白色的區(qū)域，對這些白色區(qū)域進行區(qū)域標記，缺陷就保留在其中。

2) 面積判別。細小的污點在經(jīng)過邊緣檢測之后也會表現(xiàn)為白色區(qū)域，為避免對檢測產(chǎn)生干擾，首先要檢查被標記的區(qū)域，保留那些面積大于相應(yīng)門限值的區(qū)域。

3) 位置判別。炸心不與邊緣連接，所以還要進行位置的判別。判斷可能的缺陷區(qū)域是否與邊緣相連，是否完全處于邊緣附近。如果不是，再進行下面的灰度判別。

不同的缺陷其灰度等級是不同的，通過對各種缺陷的灰度測定，可以找出相對應(yīng)的灰度值作為判定缺陷的門限值。實際拍攝的圖像灰度與炸心的灰度門限值相比較，高于此值即可判定為炸心。至此，完成了圓形石英晶片內(nèi)部的炸心缺陷檢測。

圖6為一個圓形石英晶片內(nèi)部缺陷(炸心)的檢測結(jié)果，右圖中白色線條是檢測出的炸心形狀和位置，在左圖的對應(yīng)位置上可以看到一條灰度較大的線條，該線條就是炸心的圖像顯示。

6 結(jié)束語

對石英晶體片品質(zhì)分選系統(tǒng)進行的大量測試表明，該系統(tǒng)對石英晶體片缺陷的檢出率達到100％，錯誤檢出率為0，缺陷分類正確率達到95％，分選速度已經(jīng)接近人工分選速度。今后的工作是進一步推廣應(yīng)用，并在大量應(yīng)用的基礎(chǔ)上逐步統(tǒng)一缺陷分類，建立行業(yè)內(nèi)公認、量化的缺陷分類標準。

  

參考文獻:

[1]. CH375 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/CH375_1135273.html.
[2]. P89LPC932 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/P89LPC932_538812.html.