i.MX 8M Mini嵌入式视觉解决方案，让晶圆制造精简而高效！

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i.MX 8M Mini嵌入式视觉解决方案，让晶圆制造精简而高效！

工业4.0、工业物联网或智能工厂——无论使用哪个术语，都指向相同的目标：提高工厂车间的效率、可靠性和安全性。恩智浦不仅设计和生产下一代工业4.0应用核心的创新芯片，而且还集成工业4.0概念以进一步提高工厂效率。这篇博客将向您展示恩智浦如何将自身技术与Basler公司先进的嵌入式视觉技术相结合，为我们的工厂打造全新的目视检测概念。

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应用案例


恩智浦在全球范围内拥有多家晶圆工厂。每家工厂的质量和效率都处于极高水平。但是，我们一直在寻求方法来超越越来越苛刻的半导体市场要求。如图1所示，在典型的硅晶圆制造流程中，最后一步是在出厂前对晶圆进行精细包装并放入运输箱（wafer box晶圆盒）。

图1：硅晶圆制造的最后阶段

在封闭运输箱（wafer box晶圆盒）后并进行包装（充入氮气）前，操作员将进行目视检查。这项检查旨在确保运输箱（wafer box晶圆盒）中的晶圆处于正确位置（槽位）。这一检查非常重要，可以避免因为晶圆在运输过程中摆放不当而对供应链下游造成不良影响。


在装箱（盒）过程中的出错概率非常低（机械手操作）。因而，操作员很少会遇到错误。在如此低的命中率下，人类行为会导致较高的疏忽概率，即人工检查也无法发现这种罕见错误。作为我们持续改进活动的一部分，硅晶圆厂正在测试一种用于自动完成目视检查的新概念。这种自动化功能有望提高效率，并在运输箱（wafer box晶圆盒）出厂之前提供状态证明。


技术细节


为实现这一计划，我们与全球领先的计算机视觉应用制造商Basler AG展开了正式合作。我们进行了密切协作来开发基于视觉的先进设备，并成功利用两个公司之间强大的协同效应。


Basler在工厂自动化和嵌入式视觉解决方案方面拥有丰富的专业知识并因此得到业界广泛认可，有能力打造完整的视觉应用。除了提供经济高效且功能强大的视觉系统外，Basler还提供有完整的应用软件，对我们的实际应用案例形成了很好的补充。恩智浦强大的工业级i.MX 8系列应用处理器确保实时算法高效运行所需的高性能。


在这个特定案例中，我们采用了Basler附加相机套件daA2500-60mci-IMX8-EVK。该套件提供5百万像素的dart系列相机模块、线缆、镜头以及BCON for MIPI到Mini SAS转接器，支持高达750 MB/s的数据传输。此外，Basler还提供优化的驱动程序。这些驱动程序经过专门设计，可轻松与各类i.MX 8M评估板配合使用。


我们选择了恩智浦i.MX 8M Mini评估板8MMINILPD4-EVK作为处理平台。这款评估板配备工业级i.MX 8M Mini Quad应用处理器，其中以4x Arm®️ Cortex®️-A53@1.6 GHz作为主CPU平台，并以1x Arm Cortex -M4@400 MHz作为低功耗/安全CPU，因此是高效计算图像处理的理想之选。


此外，i.MX 8M Mini评估板可以提供合适的外围设备，可以满足此概念验证的需求。它支持MIPI-CSI摄像头mini-SAS连接器；还带有一个千兆以太网端口，能够与工厂的制造执行系统(MES)直接通信。这是一种高能效的电路板，可提供足够的数字IO信号，以便与车间中的其他设备交互。

图2：Basler外挂相机(daA2500-60mci-IMX8-EVK) 和i.MX 8M Mini评估板(8MMINILPD4-EVK)

概念验证


i.MX 8M Mini评估板与Basler外挂相机套件一起安装在用于目视检查的工作站上。应用处理器上运行的图像处理算法已经由Basler针对洁净室中预期的特定照明条件进行微调。该算法使用“经典”图像处理方法，例如分割和斑点分析。该应用通过向/从MQTT代理发送/接收JSON消息，通过以太网与MES后端进行通信。


开始自动目视检查时，首先将装有晶圆的运输箱放置在工业级背光平台上面，如图3所示。Basler相机位于运输箱上方约一米处，并连接到i.MX 8M Mini评估板。当从MES后端的MQTT代理接收到消息时，或者操作员手动激活连接到评估板的数字输入时，应用处理器便启动检查流程。

图3：晶圆盒外观 - 概念验证

在Basler相机采集图像并进行预处理后，实际的图像处理算法就会在图像中搜索箱体，并为后续步骤对齐箱体（以防箱体倾斜）。

图4：晶圆箱居中并对齐以便后续处理步骤（以防晶圆箱倾斜放置在背光上）


在接下来的处理步骤中，算法会在图像中寻找检查不正确的可能，比如空插槽、倾斜的晶圆圆盘或是未完全插入插槽的晶圆圆盘。此外，还会对箱内的晶圆圆盘进行计数。在图像处理例程得到结果后，i.MX 8M Mini向MES发送MQTT消息，并得出以下检查结论：


1. 如果晶圆都位于正确的位置，则显示OK消息；如果至少一片晶圆位于错误的位置，则显示NOK消息。如果是NOK，则重新拍摄一张照片以再次检查之前的结果。
2. 显示运输箱内晶圆数量的消息。
3. 包含哪些晶圆位置错误的标识索引的消息。

图5：自动识别位置错误

最后，经过分析的16位晶圆图像会发送到MES并进行存储，以实现工厂流程的可追溯性。


本文小结


嵌入式视觉技术在工厂自动化应用领域中的使用中呈现快速上升趋势，因为其优势显而易见。得益于尺寸不断缩小、功耗越来越低，以及处理性能不断提高，使用嵌入式技术替代基于PC的大型视觉系统变得越来越轻松，从而确保了解决方案的精简和经济高效。


我们与合作伙伴携手并进，为工厂自动化提供创新的机器视觉解决方案。本文中的自动化目视检查系统只是恩智浦和Basler技术通过协同效应来解决工厂自动化领域难题的一个例子。


欢迎访问我们的网页，并详细了解我们的产品组合和技术资源：
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本文作者与译者


本文作者Felipe Fernández是恩智浦工业系统创新团队的业务开发专家，在德国汉堡工作。他在网络安全和工厂自动化领域拥有10年的工作经验，曾在拉丁美洲和欧洲等不同地区工作。他拥有机电工程硕士和学士学位，以及德国北方技术管理学院的MBA学位。


本文由恩智浦中国天津系统工程SE团队与恩智浦大中华区微控制器高级市场经理李唐山翻译。

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