基于嵌入式硬件平台的划片机视觉系统设计.docx

基于嵌入式硬件平台的划片机视觉系统设计fenghy导语：基于嵌入式硬件平台的精细划片机硬件局部采用主从式双CPU构造形式，主CPU为ARM处理器。1引言半导体后封装工艺中关键设备划片机是通过主轴高速旋转、y向精细分度定位、x向导轨高速运动、向多角度旋转实现对多个芯片图形划分加工的设备。可用于硅集成电路、SAW器件、Ga/As、铌酸锂、锑化铋、厚膜电路、磷化铟等特种材料和脆硬材料晶片的划切分片。a鉴于在精细划片机检测系统的检测速度和精度上的要求，需要分辨率较高的CCD摄像机对划切图像进展快速提取。PC-Based产品的硬件技术已经实现，但PC构造中仍存在众多因素影响划片机的实际使用，如硬盘可能出现的机械故障、风扇带来的不稳定因素、抗震性能指标，抗干扰指标等等，这些因素仍然是制约IPCPC工控机应用于半导体设备的问题之一。通过引入嵌入式硬件方案解决了这个难题，同时也大大降低了本钱。基于嵌入式硬件平台的精细划片机硬件局部采用主从式双CPU构造形式，主CPU为ARM处理器。精细划片机控制主体由3个单元构成：监控治理单元、四轴运动控制单元和划片机视觉单元。划片机视觉单元是通过对图像实时收集来监测晶圆划切经过；监控治理单元主要功能是监测设备运行、设置加工参数等；四轴运动控制单元是采用专用运动控制芯片，接收S3c2510传递的参数来直接控制电机完成运动控制。视觉收集系统基于的PCI总线具备32Bit数据总线，时钟频率可达66MHz，最快传输速率到达264MB/s，可以知足划片机视觉系统需要，设计的核心板扩展2个PCI插槽。嵌入式设备需编写PCI设备的驱动程序将现有的PCI设备应用到嵌入式主板中。划片机的视觉收集系统由光学照明系统、CCD摄像器件、图像处理软件等局部构成，视觉系统构成见图1。2硬件电路设计根据PCI系统的总线拓扑构造设计了划片图像收集系统的硬件构造。其中的摄像头，根据划片机视觉的要求选用35万像素的PCI接口的图像收集模块。系统主处理器采用三星公司的S3C25lO，考虑到S3C2510内置PCI控制器，扩展的2块PCI接口可分别和四轴嵌入式运动控制芯片MCX314As和图像收集模块连接。系统框图见图2。芯片为ARM940T内核，最高运行频率可达200MHz，芯片内置的SDRAM控制器、PCI控制器、USB控制器和10M/100M以太网控制器等一系列接口控制器。知足精细划片机的实时控制要求，主板的外部时钟源为10MHz，通过S3C2510的4个内置倍频率器，设置引脚CLKMOD0、CLKMODl、CPU_FREQl、BUS_FREQ0为高；设置引脚CPUFREQ0、CPU_FREQ2、BUS_FREQl、BUS_FREQ2为低，使系统内核运行频率为133MHz，PCI设备运行频率为66MHz，USB设备运行频率为48MHz。图3是S3C2510的PCI插槽图。系统上电后，PCI插槽上图像收集模块将等待CCD摄像头模拟信号的输入，当图像收集模块得到模拟数据后便对模拟数据进展编码，处理后的数据通过S3C2510内部AHB总线传输到SDRAM，主控治理单元利用主板上嵌入式Linux系统中的视频效劳程序使用解码播放器即可对晶圆监测划切。S3C2510ARM处理器，内部PCIMINI-PCI&PCCard控制器符合PCI总线标准2.2版本，将S3C2510的PCIMINI-PCI&PCCard控制器设置为PCIHost工作形式见表1，具有32bit地址/数据复用总线，支持非线性传输和突发传输，最高数据传输速度可以到达264MB/s及66MHz132MB/s及33MHz。而且带有地址变换机制，可以将内部的PCI总线地址映射到内存或外围设备。在设计中设定PCI总线的时钟频率为66MHz，因此主板上PCI总线的最高传输速度可以到达264MB/s，可以知足数据的快速传输。系统利用时钟反应来弥补PCI的时钟延迟。当PCI控制器工作在PCIHOST、形式下时，其时钟源是由系统内部提供的，S3C2510有3个PCI时钟输出信号PCICLK1，PCICLK2和PCILK3，将PCI设备诊断存放器PCIDIAG0的DC3位设置为l，即将PCICLK3设置为输出无效，此时PCICLK1与PCICLK3相连，通过PCICLK3将时钟信号反应给处理器内核，这样可以使外部PCI设备与PCI时钟保持一致，进而弥补时钟延迟。系统以及PCI控制器的启动顺序如图4所示。其中在对PCI控制器的特殊功能存放器进展配置时需要首先关闭中断，即设置PCIINTEN=0。然后设置PCI控制和状态存放器PCICONARB，ATS，SPL，IOP，MMP，某些需要的情况下还要设置PCI诊断存放器，这个存放器是针对测试功能的，在PCMCIAHost工作形式下不需要进展设置。然后要对与基地址有关的存放器PCIBAM0l和PCI-BATPA02进展设计，设置完之后要配置有关PCI重启和时钟的存放器，其中关键的一步是设置PCI重启和时钟存放器PCIRCCMSK=0，这是为了防止重启信号和时钟信号的冲突。在PCI控制器侦测外围设备并初始化外围设备的存放器时，需要完成以下工作：1读取所有的配置存放器值，包括PCIHID，PCIHSC，PCIHSSID等；2检查BARBackupAddressRegister的范围并逐一分配空间；3使能外部设备并激活总线。以上配置都是在PCI图像收集模块的驱动中完成的，由于已经把驱动程序加载到了ARMLinux的内核中，所以系统启动之后，操纵系统会自动配置PCI外部设备。3ARMLinux移植和设备驱动实现31BootLoader的移植BootLoader是和硬件严密连接的，系统是通过BootLoader。来调用操纵系统内核并最终运行操纵系统。本系统采用了U-BootUniversalBootLoader作为。BootLoader，U-Boot相当于一个小型的Linux系统，其工作涉及到硬件系统的初始化、存储空间分配等，在设计经过中主要完成了以下工作，相关的程序编写根据U-Boot提供的例程来完成：1修改Makefile配置文件，添加针对目的板的编译命令行；2在CPU目录下建立arm940t目录，主要包括中断设置函数代码interrupts9c，系统入口函数start.S，CPU相关代码文件cpu.c以及串口初始化代码相关文件serial.c等；3在Board目录下建立S3C2510目录，主要包括FLASH初始化代码flash.c，连接器文件u-boot.1ds，内存分配代码memsetup.S等；4编写配置文件，即：include/configs/s3c25l0.h，对存放器的定义等系统配置，大局部工作是参考S3C25l0的数据手册来进展的；5编写flash.c文件，根据使用的AMD的NORFlash来编写Flash的驱动，包括flash芯片的型号，打印信息，容量大小，flash擦除函数等；6修改SDRAM的大小，修改配置文件in-clude/configs/s3c2510.h中的#definePHYS_SDRAM_SIZE值。其大小是根据实际应用中SDRAM的大小来确定；7修改串口参数文件serial.C。主要是设置串口波特率，波特率计算公式为：RUBRDIVO=intMCLK/16/gd_>baudrate+0.5-1；8修改start.S文件，一个可执行的Image必须有一个入口点并且只能有一个唯一的全局入口，修改start.S中的globl_start_start：使其放在Romflash的0×0地址。编译U-Boot，通过Jtag口下载到目的板进展调试。3.2ARMLinux设备驱动编写Linux的内核是由设备治理、进程治理、文件系统和内存治理一起组成，Linux设备驱动可以分为字符类设备，网络接口类设备，块类设备和其他非标准驱动。PCI设备被看作是字符型设备。每个PCI外设都由一个总线号、一个设备号和一个功能号来标示，共有3个访问空间，即I/O端口、内存空间和配置存放器。PCI配置空间由256个字节组成，且每个设备功能都有一个配置空间，用于决定PCI器件的工作方式和映射到系统中的地址。添加系统的PCI设备驱动主要步骤：1创立1个PCI设备，命令：mknodpci_devc2470，其中c表示字符设备，247表示主设备号，0代表次设备号。2初始化外部设备，将函数pci_dev_init添加到ARMlinux/linux/drivers/chal/mem.c文件的chr_dev_init中，chr_dev_init将在系统启动时被调用，会完成设备驱动的初始化工作：3设备驱动文件pci_dev.c的编写。设备注册接口函数，中断处理函数等构成了PCI设备驱动主要代码。即file_operationgs根据S3C2510的PCI配置存放器所给定的基址来读写数据。PCI定义的I/O空间是32位地址空间，内存和I/O可使用一样的配置接口。4PCI设备的加载。ARMlinux不支持设备驱动的动态加载，因此需要把驱动编译到ARMLinux内核中，首先需修改makefile文件，添加下行：obj_$CONFIG_PCI_DEV+=pci_dev.o接着修改config.in，添加：boolpci_devinstallCONFIGPCIDEV，添加这行的目的是为了在配置目的板Linux系统内核时以便对这个设备进展选择。最后在目的系统的makefile中添加设备节点：pci_dev，C，247，0这样在配置Linux内核时就可以选择pci_devinstall，然后进展编译，这样PCI设备驱动就加载到了ARMLinux系统中。4主控单元图像收集编程内核针对数码摄像头等视频设备提供V4L函数接口，V4L提供针对视频设备进展根本的I/O操纵的接口函数如：open、read、write、close，中断处理，内存映射及I/O通道的控制ioctl等，并定义在structfile_operations数据构造体中。当应用程序对设备进展诸如open、read、Write、close等系统调用操纵时，内核将通过file_operation构造访问驱动程序提供的函数接口详细的收集程序如下：PCI接口视频收集流程如图5所示。V4L为视频收集图像提供两种方案：read直接读取，：mmap内存映射。read通过内存缓冲区来读取数据；而mmap通过把设备内存映射到用户进程地址空间中，绕过内核缓冲区，所以mmap方式加速I/O访问。另外mmap系统调用使用进程间通过映射同一文件实现分享内存，各进程可像访问普通内存一样对文件访问。访问时只需要指针而不用调用文件操纵函数因此用mmap收集图像。初始化函数camera_pict_init，canera_mmap_initcamera_get_mbuf和收集图像函数camera_grap-image介绍如下：高速实时图像数据的处理和传输是划片自动化的根底和精度效率的重要保证。基于外部设备互连PCI总线嵌入式视觉系统，选用了高性能的ARM处理器，嵌入可配置ARMLINUX操纵系统，可高效的完成划切要求。整个系统具有高可靠性，扩展才能强，防止传统工控机的病毒、补丁、死机等不便利因素。