1.一种面向多轴联动经济型数控的可重构系统，包括上位控制系统、下位控制系统和
被控对象；
上位控制系统完成本工业控制系统的人机接口与控制、实现数据处理算法与数据处
理；
下位控制系统由嵌入式系统、控制专用集成电路与基本支撑电路构成；
嵌入式系统实现控制过程的管理调度、加工相关控制算法与硬件驱动功能；控制专用
集成电路接收嵌入式系统送出的指令信息，根据被控设备的要求，执行数据转换并将转换
后的指令数据送入相应控制电路，驱动被控对象的相应执行部件实现相应的动作；同时，控制专用集成电路采集被控对象的状态信息给嵌入式控制系统；基本支撑电路包括嵌入式处
理器、控制专用集成电路的电源、启动、时钟和外部存储电路；
其特征是所述控制专用集成电路的基本逻辑结构单元包括：SPI读模块SpiRd、SPI写模
块SpiWr、指令译码模块DecInstr、PWM输出控制模块U1PwmDrv、AD采集转换控制模块
U0MaxDrv、开关量输出模块DigOutP、开关量输入模块DigInP、运动指令队列模块mInstr、运动指令执行控制模块ExeInst，以及：
XYZ三轴进给运动控制模块UXMtDrv、UYMtDrv、UZMtDrv或X/Y/Z/X1/Y1/Z1/W1七轴运动
控制模块U0MtDrv～U6MtDrv，进给运动控制模块功能、逻辑结构、实现电路相同；W轴运动控制模块UwJetMt，UwJetMt仅要求有速度控制，其余各轴要求速度、位移控制，同时具有联动控制的要求；
则通过附加AD采集与转换控制模块U1MaxDrv增加模拟量采集转换控制，其模块电路与
U0MaxDrv相同；
SpiRd与SpiWr共同实现SPI读写控制；
DigOutP与DigInP实现开关量输入/输出控制；
被控对象具有7个进给轴和1个主运动时，U0MtDrv～U6MtDrv与UwJetMt实现被控对象的
X、Y、Z、X1、Y1、Z1、W1进给轴与W向主运动控制；
被控对象具有3个进给轴和1个主运动时，UXMtDrv、UYMtDrv、UZMtDrv与UwJetMt实现被
控对象的X、Y、Z进给轴与W向主运动控制；
SpiWr接收SPI总线的MOSI、SCK与NSS信号，并执行数据解析与数据判别，计算指令码
CMD、指令数据DInst与数据序号DIndx，然后将计算结果送至DecInstr模块，执行指令译码；
SpiRd响应SPI总线的SCK与NSS信号，将SPI发送寄存器TBuf中的数据按照预定时序送
至SPI总线的MISO端口；
DecInstr接收SpiWr输出的指令数据，实现指令译码并执行部分指令；
a、收到运动指令，则计算mInstr指令队列写指针WrP，判断队列满状态QueF，并根据写
指针WrP，将数据入mInstr指令队列，等待指令执行控制模块ExeInstr处理；
b、收到PWM输出、采集转换或开关量输出指令，则DecInstr将指令参数送至相应PWM输
出、采集转换或开关量输出模块电路，启动U1PwmDrv、U0MaxDrv、U1MaxDrv或DigOutP，输出预定的PWM波形、启动采集转换或输出指定的开关量；
c、收到开关量输入、坐标采集、AD采集数据获取或运动状态采集指令，DecInstr检索相
应的寄存器DIBuf、MtCor、wData、wData1或MtBsy，并将其数据送至SPI发送寄存器TBuf，由SpiRd送至SPI总线；
MtCor寄存器中数据为各个方向的当前坐标信息，即U0MtDrv～U6MtDrv或UXMtDrv、
UYMtDrv、UZMtDrv送出的各个方向当前坐标Cor；
MtBsy寄存器中数据为各个轴的当前状态，即U0MtDrv～U6MtDrv或UXMtDrv、UYMtDrv、
UZMtDrv送出的各个方向当前忙闲状态Bsy；
DigOutP响应指令译码DecInstr送出的使能信号EnDO，将开关量输出缓冲DObuf的数据
送至SPI总线的开关量输出端口DO；
DigInP采集SPI总线的开关量输入端口DI，将相关的输入数据送入开关量输入缓冲
DIbuf，同时响应DecInstr输出的使能信号EnDI，将DIbuf的数据送至SpiRd的发送缓冲
TBuf，最后由SpiRd送出集成电路；U0MaxDrv、U1MaxDrv接收DecInstr送出的使能信号EnAd、EnAd1，产生外部AD器件需要的mSK、mSK1、mCS与mCS1控制信号；同时，U1MaxDrv以及
U0MaxDrv根据AD器件的时序要求动态采集SPI总线的串行数据端口DM1、DM，将获得的转换
数据送至寄存器wData1、wData；而后，DecInstr响应采集数据读取指令，将wData1、wData数据送至TBuf，由SpiRd送至SPI总线；
U1PwmDrv响应DecInstr送出的使能信号EnPWM，根据DecInstr输出的脉宽参数wDur与
脉间参数wInt输出指定的PWM波形；
ExeInstr接收DecInst送出的mInstr写指针WrP，获取mInstr的指令数据，计算各个运
动的方向Dr、mInstr的读指针RdP、运动段结束停止标志Stp与mInstr运动指令队列空标志
QueE，直接输出XYZW各运动轴或X/Y/Z/W/X1/Y1/Z1/W1各轴的方向控制信号；然后将指令速度Spd、位移Dis、运动方向Dr、运动段停止标志Stp送入指定的UXMtDrv、UYMtDrv、UZMtDrv与UwJetMt或U0MtDrv～U6MtDrv与UwJetMt，输出相应的驱动脉冲xCp、yCp、zCp、x1Cp、y1Cp、z1Cp、w1Cp与wCp，实现相应运动；X/Y/Z/W/X1/Y1/Z1/W1等各轴的运动方向也由ExeInstr实现，由ExeInstr根据指令直接输出。
2.根据权利要求1所述的可重构系统，其特征是：
a、三进给轴联动控制的运动指令执行模块ExeInstr的工作周期包括等待周期tW、运动
轴及方向设置周期tC0与第1-4运动轴的参数设置周期tC1-tC5；tC1-tC4按顺序依次对应XYZW轴的控制周期；按功能，XYZ轴的控制周期又分为速度设置周期tspd、位移设置周期tdis；W轴的控制周期只进行速度设置，只有速度设置周期tspd，而无位移设置周期tdis；考虑到指令队列的容量，应允许同一指令的不连续写入，例如mInstr被写满而一条指令又未写完时，允许系统等待至队列不满以后，再写入剩余的指令参数；此时，不同参数设置周期之间需要插入一个或多个tW等待周期。
周期tW、tC0(即tax-dr)、tC4、tC5(即tenMT)、tspd、tdis的时长对应一个基准时钟CLK周期，XYZ轴的设置周期tC1、tC2、tC3分别包括一个对应的速度设置周期周期tspd和一个对应的位移设置周期tdis，W的设置周期tC4只包括一个速度设置周期周期tspd，而无位移设置周期tdis。
b、七进给轴联动控制的运动指令执行模块ExeInstr的工作周期包含XYZWX1Y1Z1W1八
运动轴的控制，与三进给轴联动系统一致，整个控制循环包括等待周期tW、运动轴及方向设置周期tC0、各运动轴的参数设置周期tC1-tC8、运动启动周期tenMT；tC1-tC8按顺序依次对应XYZWX1Y1Z1W1轴的控制周期，进给运动轴XYZX1Y1Z1W1的控制周期包括速度设置周期tspd、位移设置周期tdis。W轴的控制周期只进行速度设置，只有速度设置周期tspd，而无位移设置周期tdis；系统允许同一指令的不连续写入；此时，不同参数设置周期之间需要插入一个或多个tW等待周期。
周期tW、tC0(即tax-dr)、tC4、tC9(即tenMT)、tspd、tdis的时长对应一个基准时钟CLK周期，XYZX1Y1Z1W1轴的设置周期tC1、tC2、tC3、tC5、tC6、tC7、tC8分别包括一个对应的速度设置周期周期tspd和一个对应的位移设置周期tdis，W的设置周期tC4只包括一个速度设置周期周期tspd，而无位移设置周期tdis。
c、七进给轴联动控制的运动指令执行模块ExeInstr与三进给轴联动控制的运动指令
执行模块ExeInstr功能兼容，即七进给轴联动控制的运动指令执行模块ExeInstr替代三进
给轴联动控制的运动指令执行模块ExeInstr，但结构复杂。
3.根据权利要求1所述的可重构系统，其特征是所述集成电路的指令集为：
1)指令格式及发送方法
指令的基本构成包括指令码与指令参数和指令码指明指令的操作内容，占用1字节；指
令参数指明执行指令所使用的参数，基本指令集指令占用4-18字节；
根据功能及完成的操作，系统指令分为运动指令与非运动指令两类，其中，运动指令用
来实现加工中所需要的运动；非运动指令用于设置加工参数、获取系统状态或者实现加工
运动之外的其它输出与输入控制；
指令发送采用16位的SPI过程实现，按照顺序，嵌入式控制系统通过SPI总线依次将指
令码、指令参数按字节顺序依次发至集成电路即完成指令传送；嵌入式控制系统获取执行
部件中的状态、坐标位置数据时，指令发送最后一个SPI周期时，同时收到所请求的16位数据；
2)基本指令集非运动指令
非运动指令包括开关量输出、开关量读入、模拟量输入、PWM输出、加速度设定、坐标读
取、状态读取等，其格式定义如下；
2.1)输出开关量
开关量输出用于设定16位的输出开关量，指令的基本构成如表1所示；指令码17H，字节
2与字节3分别为16位预置开关量数据的高字节DOH与低字节DOL；
表1开关量输出指令格式
指令码 字节1 字节2 字节3
17H 00H(未用) DOH DOL
设置输出开关量时，SPI首先送出指令码与字节1的数据1700H，而后SPI送出DOH与DOL
构成的16位数据，专用集成电路输出高低位字节分别为DOH与DOL的16位开关量；
2.2)输入开关量
开关量输入用于获取16位输入开关量的状态数据，指令的基本构成如表2所示；指令码
15H，参数字节1、2、3分别为00H、XXH与XXH；其中，XXH为任意数据；
表2开关量输入指令格式
指令码 字节1 字节2 字节3
15H 00H(未用) XXH XXH
获取输入开关量时，SPI首先送出指令码与字节1的数据1500H，而后SPI送出参数字节2
与参数字节3的数据XXXXH，同时收到输入开关量的16位状态数据；
2.3)使能操作
使能操作通过拉高/复位不同的标志位启动/禁止相应的系统设备，指令的基本构成如
表3所示；
表3使能操作指令格式
指令码1BH，参数字节1、2均为00H；字节3的D0位用于采集转换控制模块U0MaxDrv的启
止(1/0)，D1位用于PWM输出控制模块U1PwmDrv的启动/禁止(1/0)；其余位保留，以备系统扩展；
2.4)状态获取
状态获取指令主要用于在系统发出指令前，取得系统电路的工作状况，避免误操作，指
令的基本构成及相关含义如表4所示；指令码14H，参数字节1、2均为00H；字节3的D0、D1、D2位分别为X、Y、Z向运动的忙标志，D3位为采集转换控制模块的忙标志，D4、D5位分别为运动指令队列mInstr的满、空标志；
表4状态获取指令格式
参数字节1、2及参数字节3的其它位暂时未用到，可用作系统扩展；
2.5)模拟量输入
模拟量的输入需要首先启动采集转换控制，而后等待采集转换结束，获取转换结果；
2.5.1)启动数模转换：启动数模转换需首先根据表3所示的使能操作指令，禁止采集转
换，清除上次转换结果；而后，重启模块U0MaxDrv，开始新的采集转换；
2.5.2)等待转换结束：等待转换结束时，系统按照表4所示的指令获取系统状态，AdBsy
为“0”，获取模拟量输入结果；反之，继续等待；
2.5.3)获取模拟量：模拟量获取指令的基本构成如表5所示；指令码16H，参数字节1、2、
3分别为00H、XXH与XXH；其中，XXH为任意数据；
表5模拟量获取指令格式
指令码 字节1 字节2 字节3
16H 00H(未用) XXH XXH
获取模拟量的输入结果时，SPI首先送出16位数据1600H，高字节为指令码16H，低字节
为参数字节1的值00H，而后SPI送出参数字节2与参数字节3的数据XXXXH，同时收到的16位
数据的低12位即要获取的输入模拟量；
2.6)PWM参数设置及输出指令
PWM参数设置及输出指令包括PWM脉间设置、脉宽设置与PWM输出三种，分别用于PWM波
形的脉间、脉宽参数设定以及输出指定PWM波形；
2.6.1)PWM脉间设置：脉间参数设定单位μs，指令的基本构成如表6所示；指令码19H，字
节2与字节3分别为脉间wPulInt设定值的高八位wPulIntH与低8位wPulIntL；
表6 PWM脉间设置指令格式
指令码 字节1 字节2 字节3
19H 00H(未用) wPulIntH wPulIntL
执行PWM脉间设置时，SPI首先送出指令码与字节1的数据1900H，而后送出wPulIntH与
wPulIntH构成的16位脉间参数，实现PWM脉间设定；
2.6.2)PWM脉宽设置：脉宽参数设定指令的基本构成如表7所示；指令码1AH，字节2与字
节3分别为脉间wPulDur设定值的高八位wPulDurH与低8位wPulDurL；
表7 PWM脉宽设置指令格式
指令码 字节1 字节2 字节3
1AH 00H(未用) wPulDurH wPulDurL
脉宽设置方法与脉间设置类似，区别只是指令码不同；
2.6.3)PWM波形输出：PWM波形输出通过使能操作指令完成，指令格式见表3；设定脉宽
与脉间参数后，SPI首先送出使能操作码与数据字节1B00H；而后，外部处理器将PWM使能位置位，重新计算参数字节3；最后，外部处理器通过SPI将参数字节2(00H)与算好的参数字节
3发至专用集成电路，输出预定的PWM波形；
2.7)加速度设定
加速度设定用于设定XYZ向运动的加速度参数，便于简化指令，三轴运动采用同一加速
度，指令的基本构成如表8所示；
表8加速度设定指令格式
指令码 字节1 字节2 字节3
18H 00H(未用) mAccH mAccL
指令码18H，字节2与字节3分别为16位预置加速度的高字节mAccH与低字节mAccL；
2.8)坐标读取
坐标读取包括XYZ向坐标数据的获取，W轴只做正向或反向的转动，无坐标控制要求；指
令的基本构成如表9所示；XYZ向坐标获取的指令码分别为11H、12H与13H，参数字节1、2、3分别为00H、XXH与XXH；其中，XXH为任意数据；
表9坐标读取指令格式
指令码 字节1 字节2 字节3
11H/12H/13H 00H(未用) XXH XXH
获取坐标信息时，SPI首先根据要求送出指令码与字节1的数据1100H、1200H或1200H，
而后送出参数字节2与字节3构成的16位数据XXXXH，同时收到对应的16位坐标数据；
3)基本指令集运动指令
3.1)运动指令的一般格式
加工运动类型包括单向运动、两轴联动与XYW三轴联动；其中，单向运动又分为X、Y、Z与
W向运动；两轴联动又分为XY、YW与XW联动运动；运动指令也与运动分类逐一对应，格式如表
10所示；
表10运动指令一般格式
指令码10H，参数字节1未用，参数字节2为运动轴使能状况，D0-D4为依次为X、Y、Z与W运
动与否，置“1”，该轴运动；反之，该轴不参与运动；参数字节3为指令运动方向，D0-D4为依次为X、Y、Z与W轴运动方向，置“1”，该轴负向运动；反之，该轴正向运动；
参数字节4与5为运动的16位指令速度，单位：步/s；参数字节6与7为运动的16位指令位
移，单位为：步；按先后顺序依次分配给参与运动的X、Y、Z或W轴，W只设定运动速度，无位移参数；
3.2)单向运动指令
单向运动有X、Y、Z、W轴的正、反向运动共8种情况：
3.2.1)X单向运动：X单向运动指令的结构如表11所示；指令码10H，参数字节1未用，参
数字节2为01H，指明运动为X轴运动；参数字节3指明运动方向，00H为正向运动，01H为负向运动；参数字节4-5指定以“步”为单位的16位运动速度，参数字节6-7指明以“步”为单位的
16位运动位移量；
表11 X轴单向运动指令格式
指令码 字节1 字节2 字节3 字节4-5 字节6-7
10H 00H(未用) 01H 00H正向/01H负向 16位指令速度 16位指令位移
3.2.2)Y单向运动：指令结构如表12所示；指令码10H，参数字节1未用，字节2为02H，指
定Y轴运动；字节3为00H，Y正向运动；为02H，Y负向运动；字节4-5与6-7分别指定16位速度与位移量；
表12 Y轴单向运动指令格式
指令码 字节1 字节2 字节3 字节4-5 字节6-7
10H 00H(未用) 02H 00H正向/02H负向 16位指令速度 16位指令位移
3.2.3)Z单向运动：指令结构如表13所示；参数字节2为04H，指定Z轴运动；参数字节3为
00H，Z轴正向运动；为04H，Z负向运动；参数字节4-5与6-7分别指定16位速度与位移量；
表13 Z轴单向运动指令格式
指令码 字节1 字节2 字节3 字节4-5 字节6-7
10H 00H(未用) 04H 00H正向/04H负向 16位指令速度 16位指令位移
3.2.4)W单向运动：指令结构如表14所示；参数字节2为08H，指定W轴运动；参数字节3为
00H，W轴正向旋转；为08H，W负向旋转；参数字节4-5指定W轴的16位运动速度/频率，W轴只执行转速控制，不执行角位移控制；
表14 W轴单向运动指令格式
指令码 字节1 字节2 字节3 字节4-5
10H 00H(未用) 08H 00H正向/08H负向 16位指令速度
3.3)两轴联动控制指令
用于XY斜线运动或X/Y单向轨迹，按照运动轴，分XY、YW与XW联动3种；
3.3.1)XY联动：XY轴联动控制指令结构如表15所示；指令码仍为10H，参数字节2为03H，
指明运动轴为X、Y；参数字节3指明运动方向，参数00H-03H依次表示X正向Y正向、X负向Y正向、X正向Y负向、X负向Y负向运动；
表15 XY轴联动控制指令格式
指令码 字节1 字节2 字节3 字节4-5 字节6-7 字节8-9 字节10-11
10H 00H(未用) 03H 00H-03H 16位X速度 16位X位移 16位Y速度 16位Y位移
参数字节4-5与6-7依次指定X向的16位运动速度与位移，参数字节8-9与10-11分别指
定Y向的16 位运动速度与位移；
3.3.2)YW联动：YW轴联动控制指令结构如表16所示；参数字节2为0AH，指明运动轴为Y、
W；参数字节3的参数00H、02H、08H、0AH依次指定Y正向W正向、Y负向W正向、Y正向W负向、Y负向W负向的指令运动方向；
表16 YW轴联动控制指令格式
指令码 字节1 字节2 字节3 字节4-5 字节6-7 字节8-9
10H 00H(未用) 0AH 00H、02H、08H、0AH 16位Y速度 16位Y位移 16位W速度
参数字节4-5与6-7依次指定Y向的16位运动速度与位移，参数字节8-9指定W向的16位
运动速度；
3.3.3)XW联动：XW轴联动控制指令结构如表17所示；参数字节2为09H，指明运动轴为X、
W；参数字节2的参数00H、01H、08H、09H依次指定X正向W正向、X负向W正向、X正向W负向、X负向W负向的指令运动方向；
表17 XW轴联动控制指令格式
指令码 字节1 字节2 字节3 字节4-5 字节6-7 字节8-9
10H 00H(未用) 09H 00H、01H、08H、09H 16位X速度 16位X位移 16位W速度
参数字节4-5与6-7依次指定X向的16位运动速度与位移，参数字节8-9指定W向的16位
运动速度；
3.3.4)XYW三轴联动控制指令
用于XY斜线轨迹，指令结构如表18所示；指令码仍为10H，参数字节2为0BH，指明运动轴
为X、Y与W；参数字节3指明运动方向，参数00-03H、08-0BH依次表示X正向Y正向W正向、X负向Y正向W正向、X正向Y负向W正向、X负向Y负向W正向、X正向Y正向W负向、X负向Y正向W负向、X正向Y负向W负向、X负向Y负向W负向的运动；
表18 XYW三轴联动控制指令格式
指令码 字节1 字节2 字节3 字节4-5 字节6-7 字节8-9 字节10-11 字节12-13
10H 00H(未用) 0BH 00-03H,08-0BH X速度 X位移 Y速度 Y位移 W速度
参数字节4-5与6-7依次指定X向的16位运动速度与位移，参数字节8-9与10-11分别指
定Y向的16位运动速度与位移，参数字节12-13指定W向的16位运动速度；
4)扩展指令集
4.1)两轴联动扩展指令
按照参与的运动轴，两轴联动扩展分为YZ与XZ轴联动4种形式，相关定义参考基本指令
集。
(1)YZ联动：
表19 YZ轴联动控制指令格式
指令码 字节1 字节2 字节3 字节4-5 字节6-7 字节8-9 字节10-11
10H 00H(未用) 06H 00/02/04/06H(方向控制) 16位Y速度 16位Y位移 16位Z速度 16位Z位移 (2)XZ联动：
表20 XZ轴联动控制指令格式
指令码 字节1 字节2 字节3 字节4-5 字节6-7 字节8-9 字节10-11
10H 00H(未用) 05H 00/01/04/05H(方向控制) 16位X速度 16位X位移 16位Z速度 16位Z位移
4.2)三轴联动扩展指令
(1)XYZ联动：
表21 XYZ三轴联动控制指令格式
指令码 字节1 字节2 字节3 字节4-5 字节6-7 字节8-9 字节10-11 字节12-13 字节14-15
10H 00H(未用) 07H 00-07H(方向控制) X速度 X位移 Y速度 Y位移 Z速度 Z位移 (2)XZW联动：
表22XZW三轴联动控制指令格式
指令码 字节1 字节2 字节3 字节4-5 字节6-7 字节8-9 字节10-11 字节12-13
10H 00H(未用) 0DH 方向控制 X速度 X位移 Z速度 Z位移 W速度
(3)YZW联动：
表22 YZW三轴联动控制指令格式
指令码 字节1 字节2 字节3 字节4-5 字节6-7 字节8-9 字节10-11 字节12-13
10H 00H(未用) 0EH 方向控制 Y速度 Y位移 Z速度 Z位移 W速度
4.3)四轴联动扩展指令
表23 XYZW四轴联动控制指令格式
指令码 字节1 字节2 字节3 字节4-5 字节6-7 字节8-9 字节10-11 字节12-13 字节14-15 字节14-15
10H 00H 0FH 方向控制 X速度 X位移 Y速度 Y位移 Z速度 Z位移 W速度
5)扩充指令集
5.1)非运动扩充指令
(1)扩充使能操作：扩充使能操作与基本指令的使能操作兼容，扩充了附加AD采集与转
换控制U1MaxDrv的使能控制位，如表24所示；
表24扩充使能操作指令格式
字节3的D0与D1位功能不变，D0即U0MaxDrv的使能EnAd(1使能/0禁止)，D1即U1PwmDrv
的使能EnPwm(1启动/0禁止)；D2为新增附加AD控制模块U1MaxDrv的使能EnAd1，其余位保
留；
(2)扩充状态获取指令：兼容基本指令的状态获取指令，扩充了附加AD控制模块
U1MaxDrv、X1、Y1、Z1与W1的忙状态标志，如表25所示；
表25扩充状态获取指令格式
字节3的D0-D5不变，分别为X、Y、Z轴、U0MaxDrv忙标志、队列mInstr的空、满标志；D6、D7分别为x1、y1忙标志；字节2的D0为z1轴忙标志，D1为附加AD采集与转换控制U1MaxDrv的忙标志；
(3)附加模拟量获取指令：附加模拟量获取指令的基本构成如表26所示；指令码16H，参
数字节1、2、3分别为00H、XXH与XXH；其中，XXH为任意数据；
表26附加模拟量获取指令格式
指令码 字节1 字节2 字节3
26H 00H(未用) XXH XXH
(4)扩充坐标读取指令：包括X、Y、Z、X1、Y1、Z1与W1向坐标数据的获取，指令的基本构成如表27所示；XYZ向坐标获取指令码11-13H，X1、Y1、Z1与W1坐标获取指令码21-24H；
表27坐标读取指令格式
指令码 字节1 字节2 字节3
11-13H/21-24H 00H(未用) XXH XXH
5.2)扩充运动指令
扩充运动指令兼容基本运动指令与扩展运动指令，同时扩充了X1、Y1、Z1与W1的向运
动，指令格式如表28所示；
表28运动指令一般格式
字节2高4位D4-D7为X1、Y1、Z1与W1使能状况，D0-D4保持不变，为XYZW运动与否；字节3
高4位D4-D7为X1、Y1、Z1与W1运动方向；D0-D4不变，为依次为X、Y、Z与W轴运动方向；指令的第2-7字依次为第1-第3运动轴速度、位移参数；第8字为第4运动轴W的速度；第9-16依次为第5-8轴速度与位移；
上述指令为系统所有运动轴均参与运动的情况，系统轴不全参与运动时，指令参数按
照X、Y、Z、W、X1、Y1、Z1与W1的顺序依次分频运动参数；指令的其它使用方法与基本指令一致；
控制专用集成电路中，
U0MtDrv～U6MtDrv，这7个模块实现被控对象的X、Y、Z、X1、Y1、Z1与W1向的加工进给动
作；
UwJetMt模块实现被控被控部件的W向运动控制，W向运动只执行速度控制，而无位移或
旋转角度的控制；
执行加工运动控制时，ExeInstr全程协调和管控U0MtDrv～U6MtDrv以及UwJetMt，驱动
执行部件的对应的执行机构实现对应操作；
X、Y、Z、X1、Y1、Z1与W1向的进给动作控制分为运动处于刹车控制、运动处于升速控制、运动处于降速控制和运动处于匀速控制。
4.根据权利要求3所述的可重构系统，其特征是
X、Y、Z、X1、Y1、Z1与W1向运动的方向由运动控制指令给出，通过ExeInstr直接输出；运动的驱动脉冲由U0MtDrv～U6MtDrv这7个模块分别实现；
7个模块分别接收基准时钟CLK、DecInstr送出的运动加速度Acc、ExeInstr送出的指令
速度SpdI、指令位移Dis、运动使能G、运动方向DR以及本段结束后停止标志bStp，分别输出相应轴的驱动脉冲CP、运动方向的当前坐标Coor与运动忙标志Bsy；
U0MtDrv～U6MtDrv各自的构成包括运动控制时钟子模块Ck10KP、状态转换控制子模块
StaCon、刹车位移计算子模块CalDis、位移运算子模块DisCtrl、驱动脉冲子模块CPGen与速度计数计算子模块CalCnt；
Ck10KP利用基准时钟CLK实现进给运动的控制时钟信号Ck10K；
StaCon采集、输出进给运动控制参数，执行速度、位移判别与状态转换，实现进给运动
的全过程控制；
CalCnt获取当前运动速度，根据驱动脉冲原理计算对应的速度计数值tSpdCnt；
CPGen获取速度计数值，送出匹配的驱动脉冲驱动伺服电机，实现运动；
DisCtrl采样伺服电机的驱动脉冲，计算当前位移；
CalDis在当前运动轴不参与下一指令的运动时，获取刹车速度，计算当前进给运动的
刹车位移；
所述U0MtDrv～U6MtDrv这7个模块的逻辑实现包括：
1)控制时钟子模块Ck10KP
根据三维打印与其它经济型数控系统的运动速度、精度等的控制要求，系统基准时钟
CLK选择1MHz有源晶振，系统控制周期10μs，控制时钟频率设置100KHz，通过Ck10KP实现；
Ck10KP接收系统的基准时钟CLK，对CLK时钟执行10分频，得到100KHz的控制时钟信号
Ck10K；
2)状态转换控制子模块StaCon
StaCon实现运动状态转换与控制，ExeInstr置位运动使能G，StaCon启动运动过程，执
行运动状态转换控制，其基本过程包括运动准备及运动过程控制；
(1)运动准备：包括A.运动类型判别，B.初始参数设置；
A.运动类型判别.运动开始，StaCon获取DecInstr送出的加速度数据Acc、运动执行控
制模块ExeInstr送出的指令速度SpdI、位移Dis、方向DR以及本段结束后停止标志bStp，比较当前速度Spd与指令速度SpdI，结合运动结束停止标志bStp，执行运动升降速类型判别以及刹车与否判别；
B.初始参数设置.运动判别结束，StaCon将Spd送入CalCnt，计算当前速度计数值；如果
运动结束后停止，将SpdI作为刹车速度BrkSpd送入CalDis，计算刹车位移；而后，StaCon根据运动升降速类型，设置对应的运动升降速控制状态、使能CPGen、置位运动忙标志Bsy；
(2)运动过程控制：运动过程控制包括运动结束判别与运动状态转换；
A.运动结束判别：运动过程中，StaCon持续采样DisCtrl，获取当前位移iDisCur，到达
指令位移Dis，模块清除运动忙标志Bsy，结束运动；未达Dis，转入运动状态转换；
B.运动状态转换：
A)速度控制.控制时钟Ck10K到，StaCon采样CalCnt输出，获取计数值tSpdCnt，作为
SpdCnt送入CPGen，而后进入状态处理；
B)状态处理.而后，StaCon执行运动状态处理；
a、运动处于刹车控制，加速度选择-Acc，StaCon调用公式(10)，执行加速度积分，重算
运动速度Spd，将Spd送入CalCnt，计算计数值tSpdCnt以备下次使用；
b、运动处于升速控制，若Spd积分，重算速度Spd并送入CalCnt，计算计数值tSpdCnt以备下次使用；若Spd≥SpdI，运动转入匀速控制；
c、运动处于降速控制，若Spd>SpdI，加速度选择-Acc，StaCon调用公式(10)，执行加速
度积分，重算运动速度Spd并送入CalCnt，计算计数值tSpdCnt以备下次使用；
d、运动处于匀速控制，若bStp＝‘1’，当前运动结束，停止本轴运动，StaCon采集
DisCtrl送出的当前位移iDisCur，剩余位移量小于或等于RemDis，运动转入刹车控制；
C)速度计算方法：
a、速度计算原理
设置速度单位“步/s”，加速度单位“mm/s”，设定运动步当量0.01mm，积分周期Δt与运动控制周期选择一致，设置为10μs，根据公式(4)，k时刻的速度vk可表述为：
定义积分余数sigMak，sigMak为积分 对除数1000的余数，公式(6)演变为：
其中的int为取整运算，Rm为取小数运算，定义参数Spdk：
由于以“步/s”为单位的速度不存在小数值，Spdk实际为时刻k的运动速度：
b、计算公式
总结公式(6)-(9)，速度计算采用公式(10)实现，其中的Rem()运算为对1000求余运算：
c、计算过程
执行加速度积分时，首先计算和式sigMaK-1+ak-1结果；计算算式
时，通过将和式sigMaK-1+ak-1的计算结果右移10位实现；计算Rem(sigMak-1+ak-1)时，直接取和式sigMaK-1+ak-1结果的低10位。
3)刹车位移计算子模块CalDis
CalDis获取DecInstr送出加速度Acc与StaCon送出的刹车速度BrkSpd计算刹车位移，
根据公式(5)，计算刹车位移RemDis；
CalDis包括12位的乘电路与24位被除数、13位除数的除电路各一个；乘电路执行12位
速度的平方运算，速度取值0-4000步/s即0-40mm/s，占用12位数据；除电路实现24位的速度平方和与13位加速度的除运算；公式(5)中的1/2通过逻辑右移位实现，不通过专门的除电
路完成；
4)速度计数计算子模块CalCnt
(1)实现原理
运动控制利用速度计数值对基准时钟计数，定时拉高/清零运动控制电机的脉冲输出
端口，实现伺服电机等距驱动脉冲的脉宽与脉间；假定运动速度v，单位“步/s”，基准时钟CLK频率fCLK，则速度计数值kC为：
kC＝fCLK/2v                         (11)
根据公式(11)的原理，CalCnt获取状态转换控制StaCon送出的当前速度Spd，计算对应
计数值tSpdCnt，将其返回StaCon备用；设置运动步当量0.01mm，基准时钟CLK频率fCLK设置
1MHz，确定计数值tSpdCnt为：
5
tSpdCnt＝5×10/Spd                  (12)
(2)实现过程
CalCnt通过20位被除数、12位除数的标准除电路来计算速度计数值tSpdCnt，其中被除
数为上式的固定值5×105，除数为12位速度Spd；
5)位移运算子模块DisCtrl
DisCtrl采样CPGen输出的驱动脉冲内部信号iCP并对其执行计数操作，计算运动的即
时位移iDisCur，而后将其送入状态转换控制StaCon，实现运动的状态控制；
同时，DisCtrl结合ExeInstr送出的运动方向DR，计算该向运动的当前坐标值Coor，作
为U0MtDrv～U6MtDrv这三个模块的输出；
6)驱动脉冲子模块CPGen
子模块CPGen输出伺服电机驱动脉冲CP，拖动伺服电机实现运动；CPGen接收并响应状
态转换控制子模块StaCon送出的使能标志CPEn，对1MHz基准脉冲CLK执行计数操作，达到脉冲计数值SpdCnt，模块输出取反，重启新一轮计数；如此往复循环，实现电机驱动脉冲；
CPGen同时将CP的同源信号iCP送至位移运算子模块DisCtrl，执行位移与坐标计算；
StaCon适时监测位移与坐标运算结果，到达指令位移后，即可禁止CPEn，结束当前运动。
5.根据权利要求4所述的可重构系统，其特征是UwJetMt只需实现运动的速度、方向控
制；W轴的方向信号由运动指令给出，通过ExeInstr直接输出，W向对应的电机运动控制是由速度计数计算子模块CalCnt与驱动脉冲子模块CPEn构成，二者的实现原理、功能与进给控
制相同；
CalCnt获取ExeInstr送出的W轴运动速度Spd，计算脉冲计数值SpdCnt，送至驱动脉冲
CPGen；受ExeInstr送出的W轴运动使能信号G控制，CPGen产生对应频率的运动驱动脉冲信
号CP。
6.根据权利要求5所述的可重构系统，其特征是ExeInstr协调控制U0MtDrv～U6MtDrv、
UwJetMt的联动动作，以实现各个轴的联动运动，包括两轴、三轴、四轴及其以上轴的直线与空间曲线运动联动；
a、直线联动
1)数据预处理：
本控制电路通过SPI总线接收含各联动轴的速度、位移的运动指令；
2)联动执行：
ExeInstr获取指令参数，根据联动轴序号同时复位使能寄存器中XYZW联动轴的使能
位，禁止各联动轴动作；而后，ExeInstr获取各联动轴的运动方向，设置参与联动各轴的方向控制信号；之后，ExeInstr根据指令数据写入参与联动各轴的速度、位移参数；最后，
ExeInstr再次同时置位使能寄存器中XYZW等各联动轴的使能位，生效各运动参数，开始联
动运动；
3)联动原理：
执行联动控制时，由于联动各轴的控制模块U0MtDrv～U6MtDrv与UwJetMt使用同一基准
时钟-1MHz 的时钟CLK，通过对CLK的分频控制运动电机的每一步动作，能够保证参与联动
各轴按指定速度、指定时间实现联动位移，从而保证联动运动的速度、位移、轨迹要求；
4)实现二维斜线联动：
由X、Y轴的扫描分速度与分位移数据，ExeInstr模块首先禁止XY运动，获取并设置XY方
向信号；而后，分别写入XY的速度及位移；最后，ExeInstr再次同时启动XY向运动，即实现XY的任意角度斜线扫描；
b、空间曲线运动联动
空间曲线运动轨迹通过多段空间直线逼近，粗、精插补实现；
1)数据预处理：
执行粗插补时，结合控制精度，先由上位机将空间曲线离散成一系列的空间直线段，分
别计算各轴的运动速度、位移、方向等参数，按照指令格式，形成系列空间直线运动指令，完成“粗插补”；而后，由本控制带电路所在的下位控制系统实现空间曲线运动，即“精插补”；
2)联动执行：
本控制电路通过SPI总线持续接收各段空间直线段的直线运动指令，并存入mInstr；响
应控制时钟Ck10K，ExeInstr读取mInstr，获取直线运动指令序列，按照禁止运动轴、写入运动参数、同时重启运动轴的动作顺序，逐条执行各直线运动指令，即实现预定的空间曲线运动，亦即精插补。
7.一种权利要求1所述可重构系统的系统重构方法，其特征是重构方法是
构造系统时，SPI读模块SpiRd、SPI写模块SpiWr、指令译码模块DecInstr、运动指令队
列模块、运动指令执行控制模块，这些控制模块数量各一；
PWM输出控制模块、AD采集转换控制模块、开关量输出模块、开关量输入模块、W轴运动
控制模块等均为标准重构模块，这些模块是根据系统对PWM、AD采集转换、开关量输入输出、W轴运动的数量要求增加；
进给运动控制模块UXMtDrv、UYMtDrv、UZMtDrv或X/Y/Z/X1/Y1/Z1/W1七轴运动控制模块
U0MtDrv～U6MtDrv结构、功能、实现电路相同，为标准重构模块；根据系统的运动轴数要求，使用1个或多个运动控制模块，实现多个运动；
系统重构过程为：
1)系统结构：根据系统实现结构与系统的进给轴数、主运动数、PWM、采集转换、开关量
输入输出等的数量要求，确定进给运动、主运动、AD采集、PWM、开关量控制等模块的数量；执行部件选择复杂多轴数控系统的进给伺服电机、主轴电机、机床本体等机构与对象；
2)指令系统：
三轴两联动经济型系统使用基本指令集、三进给轴联动控制的运动指令执行模块
ExeInstr或7进给轴联动的模块ExeInstr；
三进给轴联动经济型系统使用基本指令集与扩展指令集、三进给轴联动控制的运动指
令执行模块ExeInstr或7进给轴联动的模块ExeInstr；
复杂多轴联动经济型系统使用基本指令集、扩展指令集与扩充指令集、7进给轴联动的
模块ExeInstr；
3)上位控制系统：通过标准PC系统结合多轴联动数控系统专用的编辑、译码等处理软
件实现，数据处理结束，根据指令系统要求，将指令数据通过高速通信传至下位控制系统；
4)进给运动：包括1-7轴的进给运动，通过X单向～XYZX1Y1Z1W1七向伺服系统及电机通
用控制模块实现；
5)切削主运动：
主轴运动，主运动有精确的转速控制要求，或与进给运动有速度匹配要求时，可通过W
向伺服系统及控制模块实现；
转速精度要求不高，与进给运动无协调控制要求时，采用专用PWM控制模块、外部功放
电路与相应电机实现；
6)下位控制系统：通过标准嵌入式系统及一～七轴联动专用控制程序实现；
执行加工时，专用控制程序接受基本指令与扩展指令、扩充指令，将参数写入专用集成
电路，实现主轴、X单向～XYZX1Y1Z1W1七向进给轴的运动及其它功能；
下位控制系统定时采集坐标、行程并通过高速通信上送标准PC，实现显示更新；
7)专用集成电路：接收标准嵌入式系统发出的进给运动、主运动等控制指令，输出对应
于XYZWX1Y1Z1W1等电机、PWM控制等信号，驱动执行部件，实现对应功能；同时，收集坐标、行程开关等信息，定时响应标准嵌入式系统请求，送出对应数据信息；
8)行程等开关量输入：通过开关量输入模块及相应的转换电路实现；根据系统要求，增
加开关量输入输出模块扩展开关量；
9)其它开关控制需求：通过开关量输出模块及相应的转换、功放电路实现；
10)模拟量检测需求：通过AD采集与转换控制或附加AD采集与转换控制、必要的放大转
换电路，以实现最多两路的模拟量采集；根据系统要求，增加AD采集与转换控制模块扩展模拟量检测的数目；
结合工艺，构造复杂的多轴联动控制加工系统，遇到更为复杂的工业生产现场控制时，
则通过增加PWM控制模块、进给轴控制模块、W轴控制模块、AD采集与转换控制模块，适当修改上下位控制系统数据处理与专用控制程序、适当增加控制指令、修正执行控制ExeInstr
模块，构造更为复杂的加工控制系统。
8.根据权利要求7所述的系统重构方法，其特征是特征是
所述三轴两联动经济型系统包括FDM或其它三维打印、钻床或刨床等系统；
所述三进给轴联动经济型系统包括铣床或车床等系统；
所述复杂多轴联动经济型系统包括进给多于3轴、多模拟量采集或多个功率控制或有
其它复杂控制需求的系统。