CN106980099A - 一种电路板自动测试系统的校准方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电路板自动测试系统的校准方法及系统，方法包括：S1.确定光学校准点的第一坐标，所述第一坐标为光学校准点在图案坐标系中的坐标；S2.控制测试探头移动至所述光学校准点，获取电路板的光学图像；S3.对所述光学图像进行图像分析，确定光学校准点的第二坐标，所述第二坐标为所述光学校准点在测试探头坐标系中的坐标；S4.根据所述第一坐标和第二坐标计算确定所述图案坐标系与测试探头坐标系之间的映射关系，完成测试系统的自动校准。本发明具有自动、高效、定位精度高等优点。

Description

一种电路板自动测试系统的校准方法及系统

技术领域

本发明涉及一种电路板自动测试系统领域，尤其涉及一种电路板自动测试系统的校准方法及系统。

背景技术

PCB板(Printed Circuit Board,印刷电路板)是电子工业的重要部件之一。其可以提供集成电路等各种电子元器件固定、装配的机械支撑，实现集成电路等各种电子元器件之间的布线和电气连接或电绝缘，提供所要求的电气特性，如特性阻抗等，为自动焊锡提供阻焊图形和为元件插装、检查、维修提供识别字符和图形等。现在几乎每种电子设备，如电子手表、计算器、计算机、通讯电子设备和军用武器系统等，只要其具有集成电路等电子元器件，都要使用PCB板以实现电子元器件之间的电气互连。在较大型的电子产品研究过程中，最基本的成功因素是该产品PCB板的设计、文件编制和制造。PCB板的设计和制造质量会直接影响到整个产品的质量和成本，甚至导致商业竞争的成败。因此需要对PCB板进行研制调试、生产测试以检测和提高PCB板的设计和制造质量。

测试电路板的测试器通常可以被分成两类，一类带有指状测试器，另一类带有并行测试器。指状测试器是测试无元件或者有元件电路板的测试器，它利用两个或者多个指状测试元件顺序或者连续扫描各个接触点。并行测试器是借助适配器同时接触待测试电路板的所有或者至少多数电路板测试点的测试器。

在计算机中用EDA工具设计印制电路板的原理图，原理图代表了电子元器件连接的逻辑关系，所以又称逻辑图。依据原理图设计PCB图，然后依据PCB图样加工出印制电路板，并装焊元器件得到电路板实体。未焊接元器件的PCB板称为PCB裸板，焊接元器件的PCB板称为PCBA。对电路板实体的调试和测试过程，即是获取电路板实体各个信号的运行状态与原理图设计期望一一印证的过程。在对调试电路板实体的过程中，通过机械移动装置移动测试设备探头，实现对测试信号的自动测量，与预先设置的信号自动比较，实现自动调试的目的。

但在该自动测试过程中，需要建立PCB图坐标系与机械移动装置坐标系的对应关系。如果采用人工方式进行坐标系初始位置的校准，则费时费力。如果自动实现坐标系初始位置的校准，则可提高调试效率，减少出错概率。

为了便于自动化装焊元器件，一般会在PCB板上的边角位置处设计3个或4个光学校准点。光学校准点是直径为40mil的实心圆，光学校准点周围设置阻焊圆环，阻焊圆环是与光学校准点同心的圆环，圆环内径大小是40mil，外径大小为光学校准点直径的两倍，即80mil。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种自动、高效、定位精度高的对电路板自动测试系统进行校准的方法及系统。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种电路板自动测试系统的校准方法，包括如下步骤：

S1.确定光学校准点的第一坐标，所述第一坐标为光学校准点在图案坐标系中的坐标；

S2.控制测试探头移动至所述光学校准点，获取电路板的光学图像；

S3.对所述光学图像进行图像分析，确定光学校准点的第二坐标，所述第二坐标为所述光学校准点在测试探头坐标系中的坐标；

S4.根据所述第一坐标和第二坐标计算确定所述图案坐标系与测试探头坐标系之间的映射关系，完成测试系统的自动校准。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S3的具体步骤包括：

S3.1.对所述光学图像进行滤波；

S3.2.提取所述光学图像的边缘，得到二值化的边缘图像；

S3.3.对所述二值化的边缘图像进行Hough圆检测，得到待选圆，并确定待选圆的直径和中心坐标；

S3.4.从所述待选圆中确定符合预设标准的目标圆，以所述目标圆的圆心坐标为光学校准点在测试探头坐标系中的坐标。

作为本发明的进一步改进，所述预设标准包括：所述待选圆的直径满足预设的第一直径范围，且所述待选圆外还具有另一待选圆，所述另一待选圆的直径满足预设的第二直径范围。

作为本发明的进一步改进，所述第一直径范围为35mil～45mil；所述第二直径范围为70mil～90mil。

作为本发明的进一步改进，所述预设标准还包括：所述待选圆的圆心与所述光学图像的视场中心最近。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S4的具体步骤包括：

S4.1.通过下式表示所述图案坐标系与测试探头坐标系之间的映射关系，

式中，m,n为光学校准点在测试探头坐标系中的坐标，p,q为光学校准点在图案坐标系中的坐标，a₀₀、a₀₁、a₁₀、a₁₁、b₀、b₁为图案坐标系与测试探头坐标系之间的映射参数；

S4.2.将所述光学校准点在图案坐标系中的坐标和在测试探头坐标系中的坐标代入上式，计算得到所述映射参数，更新测试系统的映射参数，完成测试系统的自动校准。

一种电路板自动测试系统的校准系统，包括上位机、测试设备和图像采集设备，所述测试设备包括控制单元、驱动单元和测试元件；

所述图像采集设备固定安装在所述测试元件上，用于根据上位机的图像采集指令采集光学图像，并将光学图像发送至上位机；

所述控制单元用于根据上位机的控制指令控制所述驱动单元，由所述驱动单元带动所述测试元件移动；

所述上位机用于确定光学校准点的第一坐标，所述第一坐标为光学校准点在图案坐标系中的坐标；还用于向所述控制单元发送控制指令，向所述图像采集设备发送图像采集指令；还用于根据所述光学图像确定光学校准点的第二坐标，所述第二坐标为所述光学校准点在测试探头坐标系中的坐标；还用于根据所述第一坐标和第二坐标计算确定所述图案坐标系与测试探头坐标系之间的映射关系，完成测试系统的自动校准。

作为本发明的进一步改进，所述上位机通过对所述光学图像进行滤波；提取所述光学图像的边缘，得到二值化的边缘图像；对所述二值化的边缘图像进行Hough圆检测，得到待选圆，并确定待选圆的直径和中心坐标；从所述待选圆中确定符合预设标准的目标圆，以所述目标圆的圆心坐标为光学校准点在测试探头坐标系中的坐标。

作为本发明的进一步改进，所述预设标准包括：所述待选圆的直径满足预设的第一直径范围，且所述待选圆外还具有另一待选圆，所述另一待选圆的直径满足预设的第二直径范围；所述待选圆的圆心与所述光学图像的视场中心最近。

作为本发明的进一步改进，所述上位机通过下式表示所述图案坐标系与测试探头坐标系之间的映射关系，

式中，m,n为光学校准点在测试探头坐标系中的坐标，p,q为光学校准点在图案坐标系中的坐标，a₀₀、a₀₁、a₁₀、a₁₁、b₀、b₁为图案坐标系与测试探头坐标系之间的映射参数；将所述光学校准点在图案坐标系中的坐标和在测试探头坐标系中的坐标代入上式，计算得到所述映射参数，从而确定图案坐标系与测试探头坐标系之间的映射关系。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明通过获取PCB电路板的光学图像，并对光学图像进行分析确定光学定位中心，定位精度高。

2、本发明通过上位机全自动的实现对PCB电路板进行定位校准，减少了手工操作，提高了定位校准的效率。

附图说明

图1为本发明具体实施例的流程示意图。

图2为本发明具体实施例的结构示意图。

图3为本发明具体实施例自动测试系统驱动机构及测试探头、摄像头原理示意图。

图例说明：1、X机械轴；2、Y机械轴；3、摄像头；4、测试探头；5、PCB电路板；6、光学定位点；

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图3所示，在电路板的自动测试系统中，上位机中存储有PCB电路板的原理图，在上位机中确定PCB电路板的原理图的图案坐标系(PQ坐标系)。在本实施例中，图案坐标系为一个平面直角坐标系，包括P轴和Q轴，其中，P轴与PCB电路板原理图的水平方向平行，Q轴与PCB电路板原理图的垂直方向平行，图案坐标系的原点在上位机中由用户指定，一般可选择PCB电路板原理图的左下角。同时，在PCB电路板的自动测试系统中，还包括测试探头坐标系(MN坐标系)，该测试探头坐标系为直角坐标系，其中M轴与自动测试系统的X机械轴重合，N轴与自动测试系统的Y机械轴重合，MN坐标系的原点为X机械轴和Y机械轴结构左下角，即测试探针的初始位置。在电路板自动测试系统中，PQ坐标系与MN坐标系之间存在映射关系，通过该映射关系，对于PQ坐标系中的每一个点，都有MN坐标系中的一个点与之对应，即在上位机的原理图中确定一个探测点，自动测试系统即可移动测试探头到PCB电路板上对应的测试点，实现对电路板的自动测试。但是，在实际测试过程中，当PCB电路板放置到测试台时，PCB电路板的位置可能有平移或旋转，从而导致PQ坐标系与MN坐标系之间的映射关系往往会存在误差，可能会使得测试探头实际进行测试的测试点与在原理图中选择的测试点不一至，使得测试探头无法准备到移动到在原理图中所确定到的测试点。因此，在对电路板进行测试前，需要对PQ坐标系和MN坐标系进行校准。

如图1所示，本实施例的电路板自动测试系统的校准方法，步骤为：S1.确定光学校准点的第一坐标，第一坐标为光学校准点在图案坐标系中的坐标；S2.控制测试探头移动至光学校准点，获取电路板的光学图像；S3.对光学图像进行图像分析，确定光学校准点的第二坐标，第二坐标为光学校准点在测试探头坐标系中的坐标；S4.根据第一坐标和第二坐标计算确定图案坐标系与测试探头坐标系之间的映射关系，完成测试系统的自动校准。

在本实施例中，以PCBA电路板为例进行说明，首先确定PCBA板的光学校准点在上位机中图案坐标系中的坐标，再通将测试探头移动至PCBA板的光学校准点，因为有误差的存在，此时测试探头的位置不一定正好位于光学校准点，通过获取PCBA板光学校准点所在区域的光学图像，并通过对光学图像进行分析，确定光学校准点，从而得到光学校准点在测试探头坐标系中的坐标，进而建立起测试探头坐标系与图案坐标系之间的对应关系，修正两者之间的误差。

在本实施例中，在上位机中确定PCBA板的原理图中的光学校准点，光学校准点的数量至少为2个，优选为3个或3个以上，选择多个光学校准点，可以提高校准精度。在本实施例中，选择3个光学校准点，分别为P1(p1，q1)、P2(p2，q2)和P3(p3，q3)。

在本实施例中，步骤S2.控制测试探头移动至光学校准点，获取电路板的光学图像。此时，由于误差的存在，测试探头的光学校准点与在原理图中选择的光学校准点之间并不完全对应，因此，需要进行校准。

在本实施例中，步骤S3的具体步骤为：S3.1.对光学图像进行滤波；S3.2.提取光学图像的边缘，得到二值化的边缘图像；S3.3.对二值化的边缘图像进行Hough圆检测，得到待选圆，并确定待选圆的直径和中心坐标；S3.4.从待选圆中确定符合预设标准的目标圆，以目标圆的圆心坐标为光学校准点在测试探头坐标系中的坐标。

在本实施例中，预设标准包括：待选圆的直径满足预设的第一直径范围，且待选圆外还具有另一待选圆，另一待选圆的直径满足预设的第二直径范围。在本实施例中，第一直径范围为35mil～45mil；第二直径范围为70mil～90mil。在本实施例中，由于PCBA板的光学校准点是直径为40mil的实心圆，光学校准点周围设置阻焊圆环，阻焊圆环是与光学校准点同心的圆环，圆环内径大小是40mil，外径大小为光学校准点直径的两倍，即80mil。因此，通过对PCBA板的光学图像进行分析，即可认为满足上述预设标准的待选圆即为PCBA板的光学校准点。当对光学图像进行分析后具有一个以上的满足上述预设标准的待选圆时，选择待选圆的圆心与光学图像的视场中心最近的待选圆为目标圆。

本实施例中，对于在原理图中选定的3个光学校准点P1(p1，q1)、P2(p2，q2)和P3(p3，q3)，通过光学图像分析后即可确定对应的测试探头坐标系的实际测试点的坐标分别为：M1(m1，n1)、M2(m2，n2)和M3(m3，n3)。

在本实施例中，步骤S4的具体步骤为：S4.1.通过下式表示图案坐标系与测试探头坐标系之间的映射关系，

式中，m,n为光学校准点在测试探头坐标系中的坐标，p,q为光学校准点在图案坐标系中的坐标，a₀₀、a₀₁、a₁₀、a₁₁、b₀、b₁为图案坐标系与测试探头坐标系之间的映射参数；S4.2.将光学校准点在图案坐标系中的坐标和在测试探头坐标系中的坐标代入式(1)，计算得到映射参数，更新测试系统的映射参数，完成测试系统的自动校准。

在本实施例中，分别将光学校准点P1(p1，q1)、P2(p2，q2)和P3(p3，q3)以及实际测试点M1(m1，n1)、M2(m2，n2)和M3(m3，n3)的坐标代入式(1)，可得到如下式所示方程组：

对式(2)进行求解，即可得到图案坐标系与测试探头坐标系之间的映射参数a₀₀、a₀₁、a₁₀、a₁₁、b₀、b₁的值，通过该映射参数，从而可以校准图案坐标系与测试探头坐标系之间的映射关系，完成自动测试设备的校准。

在本实施例中，通过修正图案坐标系与测试探头坐标系之间的映射参数，即可实现测试系统的自动校准。本实施例的校准方法精度高、自动化程度高、效率高。

如图2、图3所示，本实施例的电路板自动测试系统的校准系统，包括上位机、测试设备和图像采集设备，测试设备包括控制单元、驱动单元和测试元件；图像采集设备固定安装在测试元件上，用于根据上位机的图像采集指令采集光学图像，并将光学图像发送至上位机；控制单元用于根据上位机的控制指令控制驱动单元，由驱动单元带动测试元件移动；上位机用于确定光学校准点的第一坐标，第一坐标为光学校准点在图案坐标系中的坐标；还用于向控制单元发送控制指令，向图像采集设备发送图像采集指令；还用于根据光学图像确定光学校准点的第二坐标，第二坐标为光学校准点在测试探头坐标系中的坐标；还用于根据第一坐标和第二坐标计算确定图案坐标系与测试探头坐标系之间的映射关系，完成测试系统的自动校准。在本实施例中，图像采集设备为摄像头。

在本实施例中，上位机确定的光学校准点的个数至少为3个。上位机通过对光学图像进行滤波；提取光学图像的边缘，得到二值化的边缘图像；对二值化的边缘图像进行Hough圆检测，得到待选圆，并确定待选圆的直径和中心坐标；从待选圆中确定符合预设标准的目标圆，以目标圆的圆心坐标为光学校准点在测试探头坐标系中的坐标。

在本实施例中，预设标准为：待选圆的直径满足预设的第一直径范围，且待选圆外还具有另一待选圆，另一待选圆的直径满足预设的第二直径范围；待选圆的圆心与光学图像的视场中心最近。第一直径范围为35mil～45mil；第二直径范围为70mil～90mil。

在本实施例中，上位机通过下式表示图案坐标系与测试探头坐标系之间的映射关系，

式中，m,n为待校准点在测试探头坐标系中的坐标，p,q为待校准点在图案坐标系中的坐标，a₀₀、a₀₁、a₁₀、a₁₁、b₀、b₁为图案坐标系与测试探头坐标系之间的映射参数；将待校准点在图案坐标系中的坐标和在测试探头坐标系中的坐标代入式(3)，计算得到映射参数，从而确定图案坐标系与测试探头坐标系之间的映射关系。

在本实施例中，分别将光学校准点P1(p1，q1)、P2(p2，q2)和P3(p3，q3)以及实际测试点M1(m1，n1)、M2(m2，n2)和M3(m3，n3)的坐标代入式(3)，可得到如式(4)所示方程组：

对式(4)进行求解，即可得到图案坐标系与测试探头坐标系之间的映射参数a₀₀、a₀₁、a₁₀、a₁₁、b₀、b₁的值，通过该映射参数，从而可以校准图案坐标系与测试探头坐标系之间的映射关系，完成自动测试设备的校准。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种电路板自动测试系统的校准方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.确定光学校准点的第一坐标，所述第一坐标为光学校准点在图案坐标系中的坐标；

S2.控制测试探头移动至所述光学校准点，获取电路板的光学图像；

S3.对所述光学图像进行图像分析，确定光学校准点的第二坐标，所述第二坐标为所述光学校准点在测试探头坐标系中的坐标；

S4.根据所述第一坐标和第二坐标计算确定所述图案坐标系与测试探头坐标系之间的映射关系，完成测试系统的自动校准。

2.根据权利要求1所述的电路板自动测试系统的校准方法，其特征在于，所述步骤S3的具体步骤包括：

S3.1.对所述光学图像进行滤波；

S3.2.提取所述光学图像的边缘，得到二值化的边缘图像；

S3.3.对所述二值化的边缘图像进行Hough圆检测，得到待选圆，并确定待选圆的直径和中心坐标；

S3.4.从所述待选圆中确定符合预设标准的目标圆，以所述目标圆的圆心坐标为光学校准点在测试探头坐标系中的坐标。

3.根据权利要求2所述的电路板自动测试系统的校准方法，其特征在于，所述预设标准包括：所述待选圆的直径满足预设的第一直径范围，且所述待选圆外还具有另一待选圆，所述另一待选圆的直径满足预设的第二直径范围。

4.根据权利要求3所述的电路板自动测试系统的校准方法，其特征在于：所述第一直径范围为35mil～45mil；所述第二直径范围为70mil～90mil。

5.根据权利要求3或4所述的电路板自动测试系统的校准方法，其特征在于，所述预设标准还包括：所述待选圆的圆心与所述光学图像的视场中心最近。

6.根据权利要求5所述的电路板自动测试系统的校准方法，其特征在于，所述步骤S4的具体步骤包括：

S4.1.通过下式表示所述图案坐标系与测试探头坐标系之间的映射关系，

$\left(\begin{array}{c}m\\ n\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{a}_{00}& a_{01}\\ a_{10}& a_{11}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}p\\ q\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{b}_0\\ b_1\end{array}\right)$

式中，m,n为光学校准点在测试探头坐标系中的坐标，p,q为光学校准点在图案坐标系中的坐标，a₀₀、a₀₁、a₁₀、a₁₁、b₀、b₁为图案坐标系与测试探头坐标系之间的映射参数；

S4.2.将所述光学校准点在图案坐标系中的坐标和在测试探头坐标系中的坐标代入上式，计算得到所述映射参数，更新测试系统的映射参数，完成测试系统的自动校准。

7.一种电路板自动测试系统的校准系统，其特征在于：包括上位机、测试设备和图像采集设备，所述测试设备包括控制单元、驱动单元和测试元件；

所述图像采集设备固定安装在所述测试元件上，用于根据上位机的图像采集指令采集光学图像，并将光学图像发送至上位机；

所述控制单元用于根据上位机的控制指令控制所述驱动单元，由所述驱动单元带动所述测试元件移动；

所述上位机用于确定光学校准点的第一坐标，所述第一坐标为光学校准点在图案坐标系中的坐标；还用于向所述控制单元发送控制指令，向所述图像采集设备发送图像采集指令；还用于根据所述光学图像确定光学校准点的第二坐标，所述第二坐标为所述光学校准点在测试探头坐标系中的坐标；还用于根据所述第一坐标和第二坐标计算确定所述图案坐标系与测试探头坐标系之间的映射关系，完成测试系统的自动校准。

8.根据权利要求7所述的电路板自动测试系统的校准系统，其特征在于：所述上位机通过对所述光学图像进行滤波；提取所述光学图像的边缘，得到二值化的边缘图像；对所述二值化的边缘图像进行Hough圆检测，得到待选圆，并确定待选圆的直径和中心坐标；从所述待选圆中确定符合预设标准的目标圆，以所述目标圆的圆心坐标为光学校准点在测试探头坐标系中的坐标。

9.根据权利要求8所述的电路板自动测试系统的校准系统，其特征在于，所述预设标准包括：所述待选圆的直径满足预设的第一直径范围，且所述待选圆外还具有另一待选圆，所述另一待选圆的直径满足预设的第二直径范围；所述待选圆的圆心与所述光学图像的视场中心最近。

10.根据权利要求9所述的电路板自动测试系统的校准系统，其特征在于：所述上位机通过下式表示所述图案坐标系与测试探头坐标系之间的映射关系，

$\left(\begin{array}{c}m\\ n\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{a}_{00}& a_{01}\\ a_{10}& a_{11}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}p\\ q\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{b}_0\\ b_1\end{array}\right)$

式中，m,n为光学校准点在测试探头坐标系中的坐标，p,q为光学校准点在图案坐标系中的坐标，a₀₀、a₀₁、a₁₀、a₁₁、b₀、b₁为图案坐标系与测试探头坐标系之间的映射参数；将所述光学校准点在图案坐标系中的坐标和在测试探头坐标系中的坐标代入上式，计算得到所述映射参数，从而确定图案坐标系与测试探头坐标系之间的映射关系。