Digitale Signalverarbeitung Industrielle Inspektionssysteme erleichtern die Fehlersuche

Zu den industriellen Inspektionstechnologien gehören Industriescanner, die eine hohe Durchsatzleistung aufweisen und für die Fehlerprüfung in LCD-Panels, Währungen und sogar Halbleiter-Wafern zum Einsatz kommen. Zudem können Screening-Technologien in chemischen und pathogenen Identifikationssystemen genutzt werden, um den Erkennungsvorgang enorm zu verkürzen. Mit der Einführung einer neuen Generation von digitalen Signalprozessoren, insbesondere Multicore-DSPs, stehen Entwicklern kostengünstige und energieeffiziente Lösungen zur Verfügung.

Industrielle Inspektionssysteme neuester Bauart zeichnen sich durch Hochgeschwindigkeits-Scantechniken und entsprechende Inspektionskameras mit hoher Auflösung aus. Außerdem ist eine hohe CPU-Rohleistung erforderlich, um eine Echtzeit-Signalverarbeitung für Fehleridentifizierung und -klassifizierung sowie Echtzeit-Entscheidungen und -Steuerungen umzusetzen. Multicore-DSPs ermöglichen eine Verarbeitung in Echtzeit und nehmen die Kommunikationsherausforderungen von Inspektionsanwendungen an.

Es stehen verschiedene bildgebende Verfahren zur Verfügung, die für berührungslose industrielle Inspektionssysteme verwendet werden können. Im Folgenden sind einige der üblichsten Verfahren aufgeführt:

  • Visuell/optisch: Systeme, die Licht aus dem sichtbaren Bereich des Spektrums verwenden und die Oberfläche des Prüflings (DUT, Device Under Test) inspizieren.
  • Röntgenstrahlen: Diese Systeme erreichen im Vergleich zum visuellen Lichtspektrum eine bessere Penetration und werden zum Inspizieren von internen Rissen, Hohlräumen und Ausrichtungsfehlern der Komponenten verwendet.
  • Ultraschall: Im Vergleich zu optischen oder auf Röntgenstrahlen basierenden Systemen zeichnen sich diese Systeme durch eine größere Penetrationstiefe bei geringerer Auflösung aus. Abhängig vom geprüften Material können Ultraschallsignale oder hochfrequente Schallwellen für die Inspektion von internen Fehlern verwendet werden.
  • Thermographie: Diese Systeme nehmen mit Infrarotkameras thermische Bilder des DUT auf, die für die Erkennung von warmen Stellen sowie Leckstellen von Wasser und Feuchtigkeit verwendet werden.

Obwohl sich die verschiedenen Arten der Inspektionssysteme unterscheiden, können sie anhand einiger gemeinsamer Funktionen zusammengefasst werden. Die aufgeführten Systeme verfügen allesamt über feinmechanische Komponenten mit einer elektronischen Steuerung, um das DUT so zu platzieren, dass die erforderlichen Informationen erfasst werden können. Außerdem verfügen die Systeme entweder über zentralisierte oder verteilte Rechensysteme, um die erfassten Daten zu verarbeiten, wobei Fehler oder Abnormalitäten des DUT erkannt werden.

Systemkomponenten

Für den Aufbau von Inspektionssysteme gibt es verschiedenste Variationen - die grundlegenden Teilsysteme lassen sich jedoch anhand der folgenden Funktionen (Bild 1) kategorisieren: Teilsystem für die Material- und Komponentenhandhabung, Teilsystem für die Beleuchtung, Teilsystem für die Datenerfassung und Teilsystem für die Verarbeitung.

In einem Teilsystem für die Material- und Komponentenhandhabung kommt ein fortgeschrittenes mecha-tronisches System zum Einsatz, das das DUT im Teilsystem für die Datenerfassung platziert. Abhängig vom Aufbau des Systems kann die Datenerfassung des DUT in unterschiedlichen Ausrichtungen erfolgen, z.B. durch ein Förderband mit einer stationären Kamera.

Um die Inspektionsgeschwindigkeit zu beschleunigen, können mehrere Kameras genutzt werden. Für die Inspektion von großen und komplexen Strukturen, die komplexe Kamerapositionierungen und Scanmöglichkeiten erfordern, werden anspruchsvollere Systeme verwendet. In einem Teilsystem für die Beleuchtung muss das DUT abhängig vom Typ des Inspektionssystems mit den richtigen Lichtsignalen angestrahlt werden.

In optischen Systemen kann die Beleuchtung durch Fluoreszenz- oder Glühlampenlicht bereitgestellt werden, sofern eine breitbandige Lichtquelle erforderlich ist. Wird dagegen ein schmalbandiges Spektrum gewünscht, kann eine Laserquelle verwendet werden. In Röntgenstrahlsystemen kommt ein Röntgengenerator zum Einsatz, und in Ultraschallsystemen dient ein üblicher piezoelektrischer Wandler als Signalquelle. In Thermographiesystemen ist keine externe Lichtquelle erforderlich, da die natürlich auftretende Wärme im Inneren des DUT erfasst wird.

In einem Teilsystem für die Datenerfassung werden die Bilder eines optischen Inspektionssystems mit Kameras aufgenommen, die entweder über einen CCD- oder einen CMOS-Sensor verfügen. CCD-Kameras bieten einen hohen Dynamikbereich mit einer geringen Bildfrequenz und können mit einer Funktionseinheit ausgerüstet werden, so dass Schärfe, Belichtung und Kontrast automatisch eingestellt werden.

Außerdem lassen sich die Kameras mit dem neuen Multicore-DSP TMS320C6678 von Texas Instruments über eine Gigabit-Ethernet-Schnittstelle oder eine Backplane mit einer PCIe/SRIO-Schnittstelle verbinden. Über die schnellere Camera-Link-Schnittstelle können Kameras an den Hochgeschwindigkeits-Hyperlink-Bus des DSP angeschlossen werden, um einen Durchsatz von 50 Gbit/s direkt an der 2-TBit-Schaltmatrix des DSP zu ermöglichen (Bild 2).

In Ultraschallsystemen wandelt ein piezoelektrischer Wandler empfangene Ultraschallsignale in elektrische Signale um, die wiederum mithilfe von Analog/Digital-Wandlern in digitale Daten umgewandelt werden. Zur Erhöhung der Bildauflösung werden zudem mehrere Wandler mit Strahlformungstechnik verwendet. Für diese Strahlformung kann der DSP C6678 eingesetzt werden. Auf diese Weise lässt sich eine flexible, software-programmierbare Architektur bereitstellen, die im Vergleich zu ASIC-Chips für eine schnellere Markteinführung sorgt.

In Röntgensystemen werden zur Bildaufnahme CCD-Festkörpersensoren verwendet. In Thermographiesystemen dienen Infrarotkameras zur Aufnahme von Bildern. Ähnlich wie bei optischen Kameras kann die Verbindung der Sensoren mit dem C6678 über eine Gbit-Ethernet-Schnittstelle oder über eine Backplane mit einer PCIe/SRIO-Schnittstelle erfolgen.

Geschwindigkeit ist nicht nur für die meisten Teilsysteme der Bildverarbeitung, sondern auch für die industrielle Inspektion eine wesentliche Voraussetzung. Hochleistungs-Chips wie die Multicore-DSPs C66x verhindern aufgrund ihrer Architektur Engpässe und Latenzzeiten und sind ideal für die rechenintensive Echtzeit-Signalverarbeitung geeignet, die üblicherweise in der Bildaufzeichnung, Bildoptimierung und Bildrekonstruktion erforderlich ist. Dank der einfachen Programmierbarkeit der C66x und der Unterstützung von Festkomma- und Gleitkomma-Anweisungen können komplexe Algorithmen enorm schnell implementiert werden. Gleichzeitig bieten sich die DSPs dank der geringen Leistungsaufnahme für kleine Formfaktoren und umweltfreundliche Produkte an.

Einige Teilsysteme wie die zur Datenerfassung und -verarbeitung ziehen enorme Vorteile aus der Nutzung von Multicore-DSPs. Diese SoCs nehmen wenig Strom auf und erlauben daher, das Teilsystem für die Datenerfassung mit beträchtlichen Rechenfähigkeiten auszustatten. Die Geräte zur Datenerfassung übernehmen nicht nur herkömmliche Prozesse wie Kalibrierungen und Korrekturen, sondern führen außerdem Prozesse zur lokalen Bildverarbeitung und Fehlererkennung aus.

Die Teilsysteme für die Verarbeitung bieten zusammen mit Multicore-DSPs eine skalierbare, flexible Plattform für kleine Formfaktoren, um die verschiedenen Signalverarbeitungsalgorithmen zu implementieren. Die Multicore-DSPs von TI bieten dank der Verwendung von Festkomma- und Gleitkomma-Operationen mehr Flexibilität. So profitieren Algorithmen mit hohen Dynamikbereichen von Gleitkomma-Operationen, während Algorithmen mit niedrigen Dynamikbereichen von Festkomma-Operationen profitieren. Festkomma-Operationen haben den Vorteil, dass mehr Operationen pro Sekunde ausgeführt werden können. Obwohl die spezifischen Eigenschaften der Algorithmen eines jeden Systems vom System abhängen, gibt es verschiedene Probleme, die bei allen Systemen auftreten.