全 文 ：第 50 卷 第 4 期
2 0 1 4 年 4 月
林 业 科 学
SCIENTIA SILVAE SINICAE
Vol. 50，No. 4
Apr．，2 0 1 4
doi: 10．11707 / j．1001-7488．20140417
收稿日期: 2013 － 07 － 17; 修回日期: 2014 － 01 － 04。
基金项目: 科研院所技术开发研究专项资金“人造板连续平压机拖动摆幅精准控制技术”(2013EG135240)。
* 周玉成为通讯作者。
人造板连续平压机分时多任务温度控制
系统的软件设计*
闫承琳1，3 周玉成2 张星梅2，3 侯晓鹏2 苗 虎2
(1．国家林业局北京林业机械研究所 北京 100029; 2．中国林业科学研究院木材工业研究所 北京 100091;
3．中国林业科学研究院林业新技术研究所 北京 100091)
摘 要: 针对连续平压机加热系统温度控制的多任务特征，通过引入基于 Windows 的消息调度机制，从 4 个中断
及其涉及任务模块调用出发，开发出基于单片机控制器的多任务分时温度控制系统，保证了系统的实时性和稳定
性，实现了热压温差在 ± 2℃以内的精确控制。
关键词: 连续平压机; 温度控制; 单片机; 消息机制; 分时技术; 多任务
中图分类号: TS652; S777 文献标识码: A 文章编号: 1001 － 7488(2014)04 － 0115 － 06
Software Design of Time-Sharing and Multitask Temperature
Control System for Wood-Based Panel Continuous Press
Yan Chenglin1，3 Zhou Yucheng2 Zhang Xingmei2，3 Hou Xiaopeng2 Miao Hu2
(1 ． Beijing Forestry Machinery Ｒesearch Institute of State Forestry Administration Beijing 100029;
2 ． Ｒesearch Institute of Wood Industry，CAF Beijing 100091; 3 ． Ｒesearch Institute of New Technology，CAF Beijing 100091)
Abstract: The microcontroller-based time-sharing temperature control system was developed by using Windows message
mechanism，from the calling of four interupts and related modules，according to the multitask characteristic of continuous
press heating system temperature control． The real-time capability and stability were assured，and the precise control
within ± 2℃ for hot press temperature difference was achieved．
Key words: continuous press; temperature control; signal-chip; message mechanism; time-sharing; multitask
连续平压机是国内外新上大规模人造板生产线
的首选热压机，其先进的连续加热加压方式使得生
产线效率高、能耗低、产品品质稳定 (张荣其等，
2010)，但这种热压工艺方式对设备的控制系统提
出了更多、更高的要求，主要是热压温度、油缸位移、
热压压力和钢带运行速度四大工艺参数及其相关因
素的高精度检测与监控，生产现场大量实时数据的
分析、处理和管理，故障及时处理，以及各运行部件
的逻辑和连锁控制等 (胡广斌等，2009; 刘波，
2005)。相对后 3 个工艺参数的深入研究，目前国内
对连续平压机加热系统中热压温度参数及其相关因
素的控制研究主要体现在针对每台压机加热系统监
测故障的问题解决、系统改造(兰从荣，2007)等;而
涉及热压温度及其控制系统的深入研究则偏少(张
荣其，2006)。加热系统高低温热压方式的选择、每
个区域的温度设定、相邻加热区域温差控制、热压板
温度的平稳控制与稳定输出、热压板升温降温速度
控制等对热压板本身寿命、压制板坯表面质量、内结
合强度、横截面纵向密度分布和厚度偏差等都会产
生一定影响(Pereira et al．，2006)。热压温度及其相
关因素的实时监测与精确控制直接或间接地对整个
热压工艺起着非常关键的作用(欧阳琳，1998)，因
此研究设计连续平压机温度控制系统非常必要。
本文选择单片机主控制器及其级联温度采集控
制模块作为核心控制单元，代替目前常用的可编程
控制器(PLC)实现对温度信号的控制输出，利用连
接的主控机与 WINCE 触摸屏实现系统参数和运行
状态的监控，开发出了基于消息机制的连续平压机
分时多任务温度控制系统，旨为连续平压机加热系
统及其工艺参数的监控提供了一种新的监测方法与
控制系统，为人造板机械制造企业提供参考。
林 业 科 学 50 卷
1 系统分析
1． 1 加热系统的控制原理
本文所研究连续平压机加热系统在长度方向设
计有 4 个独立的加热区域，每个区域的热压板上都
预留了 1 个传感器插口。各区域温度的精准控制主
要取决于热油的二级循环系统(一次循环系统和二
次循环系统)，一次循环系统利用热油炉设备不间
断的循环提供温度控制在一定范围的高温热油;二
次循环系统根据压机各个加热区域所需油温，结合
自身内循环温度同步从一次循环系统补充一定量的
高温热油，以实现对热压温度的控制 ( Thoemen，
2000)。因此，二次循环系统中温度参数控制至关
重要。本文利用 4 个基于单片机的温度控制单元分
别对相应 4 个独立加热区域的热压温度等参数进行
设定与控制。
1． 2 温度控制系统的控制要求
在温度控制的过程中，按热压工艺要求对热压
板温度、进油温度和出油温度 3 个模拟量输入点进
行实时监测，并根据温度曲线设置该区域热压板温
度，根据控制算法进行控制输出，实现在系统运行过
程中电动三通比例调节阀开度的自动调整。其中，
当热压板温度到达 100 ℃后，需要实现每个热压区
域的压板每分钟上升 1 ℃的升温要求(5 min 上升
5 ℃ )，先升到区段设定温度的区域系统发出指令关
闭相应阀门等待，等所有区域温度到位后继续再以
1 ℃·min － 1的速度缓慢升温，直至全部区域温度升
到工艺参数设定值为止，当压机准备停止工作时，在
热压板温度高于 100 ℃时，系统以 1 ℃·min － 1的速
度缓慢降温 (刘云龙，2000;薛建利等，2008)。最
终在压机正常压制板坯工作中，实现热压板温差在
± 2 ℃以内，在热压板纵向各段温度满足理想的温
度曲线，且进油温度与出油温度差值控制在 50 ℃以
内(景林，2000)。以实现对不同板厚的热压工艺中
温度变化和加热过程的精确控制，并减少温度变化
对热压板的损耗，同时在每个温度控制单元的人机
交互界面上实时显示模拟量输入输出数值以及控制
状态等信息。
2 硬件实现
热压板温度模拟量使用 － 200 ～ + 200 ℃的铂
热电阻 PT100 检测，热油温度模拟量使用适宜液体
介质且测量范围在 0 ～ + 300 ℃的双金属温度计检
测。将 4 个铂热电阻分别插装在 4 个加热区域的热
压板预留插口内，入口油温的金属温度计置于每个
二次循环系统靠近油泵的热油入口处，出口油温的
金属温度计置于每个二次循环系统的靠近调节阀
处，实现对相应热压板温度、进油温度和出油温度 3
个模拟量输入点的实时监测。
模拟量采集处理由主控制器与温度采集扩展控
制器模块共同实现(侯晓鹏，2010)，传感器将信号
输送给数显变送器，数显变送器将采集得到的电流
信号变送输出为对应的 0 ～ 5 V 电压信号，在滤波与
放大电路中进行信号处理后(邱琳等，2008)，送入
A /D 转换器进行模数转化，而后送到 ATmega16，利
用 ＲS485 总线输入到主控制器。主控制器外接
AD7396 数模转换器实现数字信号的 D /A 转化，再
通过具有增益放大作用的 LM358 双重运算放大器，
完成模拟量输出等，从而控制调节阀中执行器的运
动，进而控制二次循环系统两路出油量的大小。主
控制器再利用开关量输入输出模块完成总停、自动
和手动等开关的动作，以及油泵、电机等的工作状
态。利用通信模块完成主控制器分别与级联温度采
集控制模块、触摸屏和主控机的通信(赵静，2007)。
利用外扩 EEPＲOM 存储模块将模拟量数据进行
存储。
3 软件设计
3． 1 系统软件实现功能
根据温度控制系统的需求分析及其硬件实现，
温度控制系统软件的设计主要是每个温度控制单元
的监控系统设计。而从通信网络的角度上看，单个
温度控制单元的监控系统特点是主控制器通过串口
0、串口 1 和串口 2 分别与触摸屏、主控机、温度采集
扩展模块的通信，实现温度等信号的实时采集、控制
比例调节阀的稳定输出以及实时数据的上传等功
能，再利用 Timer3 中断，计算完成温度控制算法，实
现加热系统温度的合理控制等。系统既具有多任务
特征，又有实时性和稳定性要求，因此本文围绕上述
4 个中断，将分时操作系统的原理引入单片机的多
任务控制系统，并利用 Windows 消息驱动机制实现
对任务的调度。
3． 2 多任务分时系统及其消息调度机制
针对系统的多任务特征，把系统实现功能细化
为多个任务模块，并规定其优先级别，由一个任务调
度程序模块，即任务调度器，来统一控制执行的顺
序，微处理器的控制权按不同优先级别分配给不同
的任务模块 (Kopetz et al．，2003 )。分时系统的构
建，主要是将微处理器的运行时间划分成一些时间
间隔很短的时间片，每个时间片对应一个具体的任
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第 4 期 闫承琳等: 人造板连续平压机分时多任务温度控制系统的软件设计
务模块。由于系统中每个任务模块占用微处理器运
行时间可根据系统应用场合估算，因此可以实现时
间片合理划分，使得各个模块分别在自己的执行时
间内访问微处理器，形成微观上依次循环判断运行、
宏观上并发运行的实时多任务控制，进而完成分时
多任务调度。在整个设计过程中完成任务模块的有
效划分和基于消息的调度机制是 2 个关键性的技术
(马潮，2004)。
本文把系统任务模块划分为功能模块和实时模
块 2 种。功能任务模块，指可在程序中独立运行的
模块，如数据存储、状态灯显示、部分控制算法等任
务模块;实时任务模块，如模拟量的实时采集、串行
通信等，其主要功能是将实时任务转为非实时的消
息与数据。
图 1 多任务分时温度控制系统架构
Fig． 1 The construction of multitask and time-sharing control system
本文的系统调度机制借鉴了 Windows 面向对
象编程原理，编程中引入“消息”的概念，将模块的
执行条件转化为消息，根据消息驱动多任务的调度
(沈文等，2003)。此处“消息”可定义为:当某个事
件(如中断)发生时，事件处理程序(如中断服务程
序)设置相应的标志位，不同的标志位即代表不同
的消息。因此任务模块之间状态的变化、任务模块
内部因为状态改变请求而设置的相应标志位也可看
作为消息(Zhou et al．，2010; 杨光友等，2002)。系
统的多任务调度依靠“消息”完成，首先建立每个任
务模块与任务调度器的联系，即调度器在对应任务
模块的每个时间片的开始取得控制，在给定的时间
片有消息时，相应的功能模块会执行，无消息时则任
务模块会跳过。其次使得任务模块间能够开始具有
一定的联系，任务模块的优先级在主程序循环中是
平等的，中断任务模块在后台运行，用消息与具体处
理模块联结(Pont，2002)。
3． 3 系统软件设计
3． 3． 1 多任务分时温度控制系统架构设计 任务
模块细化程度越深，系统实时性就会越强，系统功能
具体划分为 20 个任务模块(图 1)。其中 3 个串口
接收中断任务模块和 Timer3 定时中断(重载)任务
模块共 4 个中断为实时任务模块，在后台运行。其
他为功能模块，需要在消息激活的前提下执行。实
时任务模块在给定的时间片要完全执行，当其时间
片取得控制，立即执行相应任务模块。因此在系统
设计时，利用串口中断产生的标志位作为消息，而具
体的数据处理则放在相应的任务模块中进行，这样
通过中断服务程序长度的减少，而使响应中断速度
得到了提高，又不影响数据的处理，有效地解决了快
速获取数据和数据处理耗时之间的矛盾，从而提高
了系统的实时性。
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林 业 科 学 50 卷
如图 1 所示，本文在系统架构中添加了主控制
器任务调度器，具体包括任务队列和周期性任务调
度。基于消息机制的设计，每个任务模块的执行时
间估算基本不超过 7 ms(其中 Timer3 中的温度算法
执行时间不超过 10 ms，主控制器与扩展模块通信
时间不超过 15 ms);但为程序设计方便，时间片选
等长时间片 50 ms，保证系统进入主循环，每个任务
模块在分配的时间内使用任务调度器依次通过消息
触发执行相应程序，进而保证系统稳定性。系统设
计单片机主控制器与温度采集扩展模块通过串行通
信方式进行定时数据交换，进一步提高了系统实时
性，其中主控制器负责多任务调度和管理以及功能
模块执行，扩展控制模块则完成实时性强和费时的
模拟量采集处理任务。
3． 3． 2 程序设计 将 20 个任务模块分别放在 20
个时间片内，利用定时器 1 作系统时钟，定时中断服
务程序实现1 000 ms定时，产生定时消息，即置位标
志位，在主循环中使用任务调度器控制任务模块依
次基于消息触发机制运行，这样在 1 s 内将实现系
统的多任务，达到控制系统的实时性和功能要求。
以下为基于分时调度器的系统主程序基本结构。
……
{
Init_dev( );∥系统初始化任务模块，仅运行
一次，结束后退出循环。
…
if(( flag_time = = 1)＆＆( flag_f = = 1)
{
flag_time = 0;
if( flag_50ms = = 0)
{
mod_task［0］;∥ 串口 2 接受中断
}
if( flag_50ms = = 1)
{
mod_task［1］;∥ 串口 2 发送查询信息
}
…
if( flag_50ms = = 3)
{
mod_task［3］;∥读取系统设定参数
flag_d = 0; ∥任务模块仅运行一次，结
束后退出循环
}
…
∥Timer3 中断任务模块
flag_tempter = 1;
if( flag_50ms = = 9)＆＆( flag_ tempter = =
1)
{
mod_task［8］; ∥温度算法任务模块
}
}
…
…
}
本文围绕上述 4 个中断来完成多任务分时系统
的程序设计，即系统通过主控制器与外围设备的 3
路串行通信、1 个定时器中断与其他功能模块协作
实现了加热系统的温度控制。
图 2 串口 2 接受中断及其涉及任务模块调用流程
Fig. 2 The calling of accept interrupt of USAＲT2
and its involves tasks module
串口 2 接受中断及其涉及任务模块的调用流
程如图 2 所示，主控制器通过串口 2 与扩展控制模
块通信，在数据处理 1 模块中执行获取热压板温度、
进油温度、出油温度等模拟量数据任务，而后在报警
设置和输出任务模块中，执行进出口油温差、进油温
度超限和热压板温度超限的判断，即当差值大于
50、进油温度和热压板温度分别超过设置温度时产
生报警，如此时油泵处于开启状态，则关闭油泵。主
控制器与主控机的串口 1 通信如图 3 所示，和与扩
展模块的通信过程基本相同，只是主控制器是主控
机的从机，每 1 s 接受一次主控机的查询，根据主控
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第 4 期 闫承琳等: 人造板连续平压机分时多任务温度控制系统的软件设计
机需求，上传实时采集监控数据到主控机上进行输
出显示。如图 4 所示，利用串口 0 与触摸屏的通信，
取得压板温度、采样时间、比例调节阀调整的步长等
设置信息;并通过用户对二次循环加热系统启动的
指令，打开 Timer3 中断。Timer3 接受中断及其涉及
任务模块的调用如图 5 所示，在此完成温度控制算
法，系统 D /A 转化等任务模块可以在该时刻进行了
必要的功能实现。
4 结语
1) 本文在单片机有限资源下实现了多任务并
行处理，保证了系统的实时性与稳定性;提供了一个
良好的开发框架，结构清晰合理、易于扩展，各任务
模块功能独立、明确;基于消息机制的分时技术的采
用降低了软件设计成本。
图 3 串口 1 接受中断及其涉及任务模块调用流程
Fig. 3 The calling of accept interrupt of USAＲT1
and its involves tasks modules
图 4 串口 0 接受中断及其涉及任务模块调用流程
Fig. 4 The calling of accept interrupt of USAＲT0 and its involves tasks modules
2) 图 6 为控制系统在实验室连接模拟装置的
运行效果图，主要包含系统 4 个前端机与 1 个主控
机，以及连续平压机加热系统的模拟装置，4 个前端
机与连续平压机加热系统的模拟装置连接，采集温
度信号、控制比例调节阀输出，1 个主控机与前端机
连接接收显示实时数据。图 7 是控制系统在实验室
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林 业 科 学 50 卷
图 5 Timer3 接受中断及其涉及任务模块的调用流程
Fig. 5 The calling of accept interrupt of Timer3
and its involves tasks modules
图 6 控制系统整体运行效果
Fig. 6 System running effect
图 7 温度变化历史曲线
Fig. 7 Historical curve of temperature
模拟装置上运行的温度变化历史曲线，从模拟结果
看，系统运行稳定，实现了热压板温差 ± 2 ℃以内的
精度要求;且系统采用 WINCE 触摸屏进行实时监
控，使整个加热系统更具直观效果，主控机保存了大
量有价值的生产数据，方便用户后期使用。
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(责任编辑 石红青)
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