開發(fā)靈活的高性能平板顯示器檢查系統(tǒng)

板顯示器（FPD）包括電漿（等離子體）顯示器（PDP）和液晶顯示器（LCD）日益普及。隨之而來的是，人們必然會(huì)關(guān)心它們的生產(chǎn)效率問題。FPD漸漸取代陰極射線管（CRT）顯示器，其高可用性和更低的價(jià)格是被客戶廣泛接納的關(guān)鍵所在。結(jié)果，F(xiàn)PD廠商如Pioneer、NEC、Fujitsu、Matsushita和Sony目前正加大投資降低成本。最重要投入之一是FPD生產(chǎn)中可能耗時(shí)昂貴的階段是檢驗(yàn)過程，其中采用了自動(dòng)光學(xué)檢查和圖形處理技術(shù)來甄別瑕疵。過去，該應(yīng)用所需的DSP功能是用DSP處理器來完成。然而，更高速的DSP功能可以采用可編程邏輯來構(gòu)建，這樣能夠保持DSP處理器的靈活性同時(shí)比通用的多DSP處理器系統(tǒng)有諸多的性能優(yōu)勢(shì)。

如果FPD檢查過程是高效和經(jīng)濟(jì)的，那么就能夠大大地降低制造成本。例如在PDP中，檢查是在兩個(gè)玻璃板黏結(jié)在一起形成單塊完整的平板之前對(duì)其進(jìn)行檢查，它們通常經(jīng)過修正后再用于生產(chǎn)。如果有瑕疵的平板黏結(jié)到好的平板上，那么整個(gè)平板都要報(bào)廢重新生產(chǎn)。

在PDP產(chǎn)品原型和早期生產(chǎn)過程中，檢查通常是由單個(gè)電藕和器件（CCD）傳感器在平板表面蛇行移動(dòng)，時(shí)間大概是60秒。這種方
式產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流大概是每秒16MB?，F(xiàn)在，這些檢查正被多個(gè)并排的傳感器替代，它在單通路上通過 檢查平板。而且，光檢查的分辨率也逐漸增加以識(shí)別更微小的瑕疵，增加成品的指令。早期的PDP檢查分辨率是5~7微米，目前的LCD平板的檢查分辨率是1微米。這些因素增加了可視數(shù)據(jù)的帶寬，處理速率是每秒數(shù)千兆字節(jié)。

早期的FPD檢查系統(tǒng)采用DSP和其他專用處理器完成檢查算法。由Avvida早期開發(fā)的系統(tǒng)在一個(gè)VME機(jī)框內(nèi)有21個(gè)專用功能板，采用分立邏輯、傳送機(jī)和DSP處理器，那時(shí)價(jià)格超過10萬美元。隨著檢查越來越苛刻，數(shù)據(jù)帶寬越來越大，超過了DSP處理器的能力，Avvida轉(zhuǎn)而采用可編程邏輯和新的處理體系JEDI來加速DSP功能。此后Avvida開發(fā)的系統(tǒng)采用12個(gè)Altera FLEX 10K FPGA，只用了三塊板，硬件復(fù)雜性和相應(yīng)的成本降低了50%。另外，采用可編程邏輯允許Avvida關(guān)注于算法的開發(fā)而不必為新款和新版產(chǎn)品重新建立硬件。利用硬件的可重配置性能夠很容易地將算法和應(yīng)用開發(fā)上的投入轉(zhuǎn)入下一代的可編程邏輯中。

在Avvida最新的圖像處理系統(tǒng)中（名為Tsunami），在Tsunami板子上有一片Altera STratix FPGA，通過JEDI II子卡能夠在增加一片Stratix FPGA增強(qiáng)處理能力。采用高速Stratix FPGA使得輸入帶寬超過3Gbps，處理速度為每秒萬億次，整個(gè)系統(tǒng)造價(jià)不到1萬美元。FPD檢查中涉及的算法需要大量的高速訪問的集成存儲(chǔ)器和許多高速的圖像處理功能如旋轉(zhuǎn)、腐蝕、伸縮和比較。下一代FPD檢查算法采用板上Stratix FPGA和JEDI II模塊上的另一個(gè)Stratix FPGA實(shí)現(xiàn)。

下一代FPD檢查算法子模塊

在像素記錄（Pixel Recorder）模塊中，多個(gè)數(shù)碼相機(jī)采集的數(shù)據(jù)通過一些獨(dú)立的流稱為相機(jī)抽頭輸入系統(tǒng)。獨(dú)立抽頭被重整為單個(gè)連續(xù)的圖像。該模塊利于高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，使用Stratix M4K存儲(chǔ)模塊。為了彌補(bǔ)光學(xué)配置中的不均勻性，歸一化模塊進(jìn)行獨(dú)立像素修正，增益和偏移。歸一化使用Stratix DSP模塊以及大量的內(nèi)建的M-RAM模塊作為查找表和修正曲線。接下來，特征處理器（Feature Processor）識(shí)別在密線導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中某些特征的位置（終點(diǎn)、交叉和T型連接），它們把每個(gè)像素連接到驅(qū)動(dòng)電路上。這項(xiàng)技術(shù)叫做骨架化，采用一個(gè)Stratix M4K模塊，M-RAM模塊和一個(gè)外部DRAM來存儲(chǔ)特征數(shù)據(jù)，主機(jī)可以讀取和寫入這些數(shù)據(jù)。然后特征處理器標(biāo)識(shí)多余或缺失的特征為瑕疵。

數(shù)據(jù)與特征處理器同時(shí)進(jìn)行模板比較，其中獨(dú)立顯示單元逐一比較。任何單元和單元不均勻性被標(biāo)識(shí)為瑕疵。比較算法使用Stratix M4k模塊和兩個(gè)外部DRAM存儲(chǔ)器組來存儲(chǔ)和根據(jù)前一個(gè)單元延遲圖像數(shù)據(jù)。在Tsunami系統(tǒng)中，這種模板比較也可以用已有好的或絕好的模板。設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（DRC）和特征處理器和模板比較同時(shí)進(jìn)行。DRC采用Stratix DSP模塊來測(cè)算互連線同預(yù)定的最小和最大值的長(zhǎng)度。比設(shè)計(jì)規(guī)則更小或更大的特性被認(rèn)為是瑕疵。

然后特征處理器、模板比較和DRC模塊的輸出送給瑕疵校準(zhǔn)（Defect Alignment）模塊，它用Stratix M-RAM調(diào)整數(shù)據(jù)流，然后進(jìn)一步比較它們識(shí)別瑕疵。然后結(jié)果瑕疵數(shù)據(jù)送入斑點(diǎn)和瑕疵統(tǒng)計(jì)（Blobbing and Defect Statistics）模塊，斑點(diǎn)功能提取已發(fā)現(xiàn)瑕疵的詳細(xì)統(tǒng)計(jì)。瑕疵類型、位置、方向和尺寸交給主機(jī)程序進(jìn)行瑕疵分析和報(bào)告。識(shí)別的瑕疵也交給瑕疵覆蓋和捕獲（Defect Overlay and Capture）模塊，它允許設(shè)備操作者快速地識(shí)別檢測(cè)平板的瑕疵區(qū)域。捕獲的瑕疵圖像也發(fā)送給主機(jī)，存儲(chǔ)瑕疵統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步審查和分析。

Nios處理器對(duì)Tsunami板的實(shí)時(shí)操作進(jìn)行管理。因?yàn)榛赑CI系統(tǒng)的主機(jī)處理器OS不能實(shí)時(shí)地響應(yīng)，所以需要本地控制器如Nios處理器。Nios處理器控制著檢查過程的整個(gè)圖像處理部分，根據(jù)需要進(jìn)行初始化、空閑或停止處理過程。Nios處理器也將數(shù)據(jù)傳送給主機(jī)。把處理器集成到板上FPGA就無需外部處理器，節(jié)省了板子開發(fā)和其它工程費(fèi)用，控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。

重可配置性對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作和減小開發(fā)成本起關(guān)鍵作用

Avvida檢查系統(tǒng)的可重配置性可根據(jù)特定應(yīng)用進(jìn)行高度優(yōu)化。在FPD檢測(cè)中，F(xiàn)PGA的算法是根據(jù)廠商檢查點(diǎn)的特定環(huán)境需求進(jìn)行開發(fā)。這些算法會(huì)細(xì)致地進(jìn)行反復(fù)調(diào)節(jié)直到達(dá)到所需的結(jié)果。CCD傳感器的不同、檢查不同類型瑕疵的側(cè)重和處理過程的不同都會(huì)體現(xiàn)到編入FPGA的算法中。而且，系統(tǒng)可以通過FPGA可重配置性進(jìn)行修改以處理不同尺寸或類型平板的檢查，根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用為終端客戶提供高度的靈活性。Avvida在系統(tǒng)中構(gòu)建了一
個(gè)調(diào)制解調(diào)器，能夠遠(yuǎn)程重配置他們的系統(tǒng)，滿足客戶對(duì)升級(jí)、系統(tǒng)調(diào)整、功能增強(qiáng)或全新功能的需求。

這些系統(tǒng)的可重配置性也降低了相關(guān)的開發(fā)成本。而且Avvida可以關(guān)注算法開發(fā)的研發(fā)投入而非硬件開發(fā)，然后通過設(shè)計(jì)新的子卡利于下一代FPGA而非重新設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)。算法可以很容易地從一個(gè)FPGA設(shè)計(jì)移植到下一個(gè)設(shè)計(jì)中，新的應(yīng)用可以在幾天或數(shù)星期內(nèi)開發(fā)完成，允許Avvida降低工程費(fèi)用。Avvida估計(jì)以這種方式和以往的設(shè)計(jì)方式相比節(jié)省了70%的工程時(shí)間。

結(jié)論

現(xiàn)今的FPGA根據(jù)他們的功能組和容量來講是大帶寬圖像處理的理想選擇。最新一代的可編程邏輯技術(shù)具有大量的靈活的內(nèi)建存儲(chǔ)器和實(shí)現(xiàn)DSP功能的專用結(jié)構(gòu)，使得設(shè)計(jì)者在實(shí)現(xiàn)面向DSP任務(wù)上更有創(chuàng)造性。DSP處理器可以采用可編程邏輯上的成熟的嵌入處理器，繼續(xù)享用軟件設(shè)計(jì)流程的好處又可以利用FPGA原本就具有的硬件加速性。FPD檢查系統(tǒng)中目前利用了這些優(yōu)勢(shì)，也能夠很容易地?cái)U(kuò)展到其它圖像處理和DSP應(yīng)用，如果DSP設(shè)計(jì)者想獲得最佳的方案，更需要考慮可編程邏輯。