第 11讲 CD_ROM驱动器
4.2.4 CD_ROM驱动器工作原理
1,CD_ROM 光驱的基本结构
2,激光头与光调制解调原理
3,伺服控制
4.3 CD_I交互式光盘系统
4.3.1 CD_I光盘的数据格式
4.3.2 CD_I系统结构
1,CD_I系统组成原理
2,CD_I音频处理子系统
3,CD_I视频处理子系统
4,CD_RTOS结构与功能
4.2.4 CD_ROM驱动器工作原理
1.CD_ROM光驱的基本结构
(1)激光读写：包括信号读写激光头,光调制解调器
(2)伺服控制：聚焦控制,光道跟踪控制,CLV光盘转速控制
(3)错误检测与校正信号处理 （ EDC／ ECC）
(4)信号的系统控制和光驱接口
2.激光头与光调制解调原理
(1)激光头的结构与工作原理基本结构,激光头是 CD_ROM光驱的关键部件,精细复杂；
其组成部分及作用为：
① 激光器：产生输出功率恒定的激光源及波长为 780nm的扫描激光束；
通过激光束扫描方式读取光盘数据
② 光学元件：包括准直透镜,物镜,单向反射镜和柱面透镜等用于激光束传输,聚焦,光道跟踪及径向定位
③ 光电二极管：采用四象限光电检测二极管,
将光信号 DS转换成电信号；
检出聚焦误差信号 ES,送放大和校正,
从而控制伺服电机基本原理,正向 — 检取光盘信息；反向 — 实现光／电信号转换
① 正向光路 （ 水平方向 ）,
a,激光器发出激光束,通过四镜射向光盘信息面,以扫描凹坑
b,聚焦光束投射在光道的凸区时,激光反射,形成强光信号；
投射在凹坑 （ 粗糙面 ） 时,激光散射,形成弱光信号故通过反射光的强弱变化,可检测出通道位的 0和 1状态
② 反向光路 （ 垂直方向 ）,
a,单向反射镜的正面接收反射光,
并把激光射角移相 90° 射向柱面透镜
b,柱面透镜把 y方向折射光送光电管,实现光／电信号转换最终,光电管阵列分离出数据信号 DS,送光调制解调器；
分离出聚焦误差 ES；送伺服控制
(2) 象差法作用原理基本思想：利用物镜,反射镜和柱面透镜与光电管阵列的有机组合,在四象限光电二极管上形成三种象差状态,
以检测和分离出光盘上的数据信号 DS和聚焦误差信号 ES
① 光聚焦点离盘信息面太近：反射光经柱面透镜会聚后,
将产生水平方向上的椭圆形图像；
因而左右 （ B,D） 两光电管上得到的光强更大,
故检测出的误差信号为：
ES = (A+ C) - (B + D) < 0
② 光聚焦点离盘信息面适中：四个光电管接收到的光强一致,
会聚光将形成圆形图像,产生等量的输出信号,即：
ES = (A+ C) - (B + D) = 0
③ 光聚焦点离盘信息面太远：上下两光电管获得的光强更大,
会聚光将形成垂直方向上的椭圆图像,故检测误差信号为：
ES = (A+ C) - (B + D) > 0
④ 数据信号 DS可从四象限光电管阵列的输出信号中提取：
DS =A+ B + C + D
实现上述象差法及其信号叠加原理的逻辑电路如下图所示：
(3)光调制解调原理调制过程：把光电管阵列输出的数据 DS变换为 14位通道位,
并插入 3位合并位等,进行数字信号重构,
以生成通道位数据流,通道位串存放在缓存器中解调过程：通过逆变换,首先从通道位中检测出同步位,
剔除合并位；再把 14位通道位变换成 8位数据,
以还原成原始的帧格式经 EFM解调的输出信号,
一方面传送给错误检测和校正环节 （ EDC／ ECC） ；
另一方面,通道位串与晶体振荡器产生的时钟信号合成,
形成定时信号输出,以保持数据输出速度恒定,
用于控制 CLV伺服电机
3.伺服控制三种控制电机：聚焦控制,光道跟踪控制,CLV光盘转速控制
(1)聚焦伺服控制基本思想：使扫描光的聚焦点准确地落在光盘的信息面上；
以消除光盘机械转盘在旋转运行时所产生的轴向偏差物镜 → 反射镜 → 光电管 → 电子线路 → 聚焦控制
① 物镜：可上下 （ 垂直 ） 移动,以实现聚焦功能,
检测出聚焦光点与光盘信息面之间的距离变化；
经反射镜和柱面透镜改变光电管所接收到的图像形状,
并产生聚焦误差信号 （ 称象差法 ）
② 反射镜：具有正向反射 （ 不让光线通过 ） 的功能,
它把反射激光束信号移相 90°,让柱面透镜吸收柱面透镜：对 （ X,Y） 向光线形成不同折射率以控制光电管
③ 光电管／电子线路：
把物镜检取的聚焦误差光信号转换成电信号；
并通过电子线路放大等处理后,送给聚焦控制电机
④ 聚焦控制：根据聚焦误差输入信号,
调节聚焦伺服电机的步进输出信号,
从而调节物镜上下移动距离,
以使激光头扫描光的聚焦点准确地落在光盘信息面上
(2)光道跟踪伺服控制基本思想：使聚焦光点准确地落在螺旋线光道上；
以使激光头形成正确的径向定位,找到指定扇区闭环控制过程：
物镜 → 反射镜 → 光电管 → 电子线路 → 光道跟踪控制
① 物镜：可水平移动,以实现光道跟踪与径向定位功能；
并由道跟踪电机驱动
② 光路改进：用三光束系统,一条主光束用于聚焦凹坑光道；
并利用衍射光栅产生两条辅助光束,以作为道跟踪光束
③ 电路改进：在四象限光电管两侧,增加两个独立的光电管
（ E,F）,专门用于接收两条道跟踪光束的反射信号道跟踪误差信号 TS的光电检测原理可用下图来说明：
讨论：
① 若主光束落在光道中央，则左右跟踪光束处于预定位置；
道跟踪光电二极管（ E,F）接收到等量的反射光，故：
TS＝ E－ F＝ 0
② 若主光束／两跟踪光束均偏左，则 E管接收的反射光更少：
TS＝ E－ F＜ 0
③ 若主光束／两跟踪光束均偏右，则 F管接收的反射光更少：
TS＝ E－ F＞ 0
偏差信号 TS经放大和延时后，用于驱动光道跟踪伺服电机，
以调节物镜与光道间的径向距离实现光道跟踪与误差信号检测的逻辑电路原理如下图所示：
(3) CLV伺服控制基本思想：保证光盘的支承转盘能以可变速度旋转；
以使激光头能以恒线速扫描光盘光盘转盘 → 物镜／反射镜 → 光电管／电子线路 → CLV控制设：转盘相对于激光头的线速度为 V,盘驱动电机的角速度为 W，
激光头离盘中心的当前位置半径为 R,则：
W = V／ R
显然,V为常数的条件是,W与 R成反比；
驱动电机速度应随激光头所处位置 R而变化
CD_ROM标准规定,V≡ 1.2米 ／ 秒
W＝ 200～ 500转／分 (rpm)可调
4.3 CD_I交互式光盘系统
CD_I光盘：集音频,视频和计算机数据存储能力为一体；
具有家用电视机,录像机,音响设备和计算机互连能力的交互式多媒体系统,
或称电视计算机系统
CD_I交互设备,XY定位设备,键盘,鼠标,操纵杆,显示器正是这种多数据类型和多种媒体设备之间的可交互性,
使得 CD_I技术具有十分重要的推广应用价值
CD_I光盘系统代表了多媒体产品技术的一个发展方向；
CD_ROM等光盘新格式都考虑与 CD_I格式兼容的技术标准
4.3.1 CD_I光盘的数据格式沿袭 CD_DA和 CD_ROM格式的改进型数据格式
1.CD_I盘结构及逻辑格式物理光道盘区划分：导入区,用户数据区即节目区,导出区信息光道定义格式：一种只含 CD_I光道；另一种兼容 CD_DA光道一条信息光道的长度相当于 4秒到 72分钟的播放时间导入区：由若干个空扇区组成,以使节目区易于识别导出区：若最后一条光道是 CD_I光道,则导出区为空扇区；
若最后一条光道是 CD_DA光道,则导出区为无声帧用户数据区：对于含有 CD_DA光道的 CD_I光盘,
节目区的第一条光道必须是 CD_I光道；
而 CD_DA光道允许多达 1～ 98条；总光道编号为 1～ 99
光盘卷标：用于引导 CD_I盘片的逻辑格式内容,包括文件结构卷描述符,引导记录,终结记录；
以及文件大小和节目创作者信息等读盘：系统首先找到光盘卷标扇区,
以进行模块加载及文件存取路径表连接路径表：每张光盘必须提供一张路径表,
用于定义所有盘文件的目录结构索引；
其中包括三个信息项,
即目录文件位置,父目录号和目录文件名,
且目录文件的位置由光盘卷标给出路径表与目录结构的对应关系：表 5-1,图 5-5
4.3.2 CD_I基本系统结构
CD_I工作方式,
① 作光盘驱动器,
与家用电视机,录像机或 CD音响设备连接
② 作多媒体控制器,
与 PC机,工作站或小型机连接
1.CD_I基本系统的组成原理
CD_I系统结构的主体框架如下图所示
(1)系统结构组成
① 光盘驱动器
CD播放机：用作音频光盘播放的光驱 （ 系统入口 ）
提供兼容的输入处理
（ CD-DA数据,CD-ROM数据,CD-I数据 ）
CD_DA控制器：控制 CD播放机的运行状态,如播放,暂停,停止,弹出光盘数据选择输出 （ CD-DA； CD-ROM,CD-I）
CD_I接口：对子扇区 Subheader的细目信息进行实时解释,
并对数据和控制信号进行分解
② 多媒体控制器音频／视频信号处理器：提供多媒体应用功能 （ 关键技术 ）
CPU,M68000系列的 MPU
RAM：配置至少１ MB,组织成两个 512KB的存储体
ROM：存放 CD_I自带的 RTOS,系统结构状态描述符 CSD和字库非易失性 RAM（ NVRAM）,
为盘文件目录结构提供一个文件管理程序
DMA控制器：针对多媒体数据的巨大传输量,
改善系统公共总线的数据呑吐性能,
以提高高速大容量存储设备与主存间的数据交换效率定位设备：至少配置一个 XY定位设备用作图像交互键盘：交互选件
(2)工作原理
① 如果从 CD驱动器中读出的数据是 CD_DA音频数据,
如 PCM数据,ADPCM压缩数据；则送往音频处理器
② 如果是 CD_ROM或 CD_I数据,则送往 CD_I接口进行信号分解：
a.把 CPU控制信号发送给 CD_DA控制器；
b.把筛选出的数据送到系统总线,产生中断信号,
再送给视频处理器
③ CD-I基本系统中,所有设备都是中断驱动的
4.2.4 CD_ROM驱动器工作原理
1,CD_ROM 光驱的基本结构
2,激光头与光调制解调原理
3,伺服控制
4.3 CD_I交互式光盘系统
4.3.1 CD_I光盘的数据格式
4.3.2 CD_I系统结构
1,CD_I系统组成原理
2,CD_I音频处理子系统
3,CD_I视频处理子系统
4,CD_RTOS结构与功能
4.2.4 CD_ROM驱动器工作原理
1.CD_ROM光驱的基本结构
(1)激光读写：包括信号读写激光头,光调制解调器
(2)伺服控制：聚焦控制,光道跟踪控制,CLV光盘转速控制
(3)错误检测与校正信号处理 （ EDC／ ECC）
(4)信号的系统控制和光驱接口
2.激光头与光调制解调原理
(1)激光头的结构与工作原理基本结构,激光头是 CD_ROM光驱的关键部件,精细复杂；
其组成部分及作用为：
① 激光器：产生输出功率恒定的激光源及波长为 780nm的扫描激光束；
通过激光束扫描方式读取光盘数据
② 光学元件：包括准直透镜,物镜,单向反射镜和柱面透镜等用于激光束传输,聚焦,光道跟踪及径向定位
③ 光电二极管：采用四象限光电检测二极管,
将光信号 DS转换成电信号；
检出聚焦误差信号 ES,送放大和校正,
从而控制伺服电机基本原理,正向 — 检取光盘信息；反向 — 实现光／电信号转换
① 正向光路 （ 水平方向 ）,
a,激光器发出激光束,通过四镜射向光盘信息面,以扫描凹坑
b,聚焦光束投射在光道的凸区时,激光反射,形成强光信号；
投射在凹坑 （ 粗糙面 ） 时,激光散射,形成弱光信号故通过反射光的强弱变化,可检测出通道位的 0和 1状态
② 反向光路 （ 垂直方向 ）,
a,单向反射镜的正面接收反射光,
并把激光射角移相 90° 射向柱面透镜
b,柱面透镜把 y方向折射光送光电管,实现光／电信号转换最终,光电管阵列分离出数据信号 DS,送光调制解调器；
分离出聚焦误差 ES；送伺服控制
(2) 象差法作用原理基本思想：利用物镜,反射镜和柱面透镜与光电管阵列的有机组合,在四象限光电二极管上形成三种象差状态,
以检测和分离出光盘上的数据信号 DS和聚焦误差信号 ES
① 光聚焦点离盘信息面太近：反射光经柱面透镜会聚后,
将产生水平方向上的椭圆形图像；
因而左右 （ B,D） 两光电管上得到的光强更大,
故检测出的误差信号为：
ES = (A+ C) - (B + D) < 0
② 光聚焦点离盘信息面适中：四个光电管接收到的光强一致,
会聚光将形成圆形图像,产生等量的输出信号,即：
ES = (A+ C) - (B + D) = 0
③ 光聚焦点离盘信息面太远：上下两光电管获得的光强更大,
会聚光将形成垂直方向上的椭圆图像,故检测误差信号为：
ES = (A+ C) - (B + D) > 0
④ 数据信号 DS可从四象限光电管阵列的输出信号中提取：
DS =A+ B + C + D
实现上述象差法及其信号叠加原理的逻辑电路如下图所示：
(3)光调制解调原理调制过程：把光电管阵列输出的数据 DS变换为 14位通道位,
并插入 3位合并位等,进行数字信号重构,
以生成通道位数据流,通道位串存放在缓存器中解调过程：通过逆变换,首先从通道位中检测出同步位,
剔除合并位；再把 14位通道位变换成 8位数据,
以还原成原始的帧格式经 EFM解调的输出信号,
一方面传送给错误检测和校正环节 （ EDC／ ECC） ；
另一方面,通道位串与晶体振荡器产生的时钟信号合成,
形成定时信号输出,以保持数据输出速度恒定,
用于控制 CLV伺服电机
3.伺服控制三种控制电机：聚焦控制,光道跟踪控制,CLV光盘转速控制
(1)聚焦伺服控制基本思想：使扫描光的聚焦点准确地落在光盘的信息面上；
以消除光盘机械转盘在旋转运行时所产生的轴向偏差物镜 → 反射镜 → 光电管 → 电子线路 → 聚焦控制
① 物镜：可上下 （ 垂直 ） 移动,以实现聚焦功能,
检测出聚焦光点与光盘信息面之间的距离变化；
经反射镜和柱面透镜改变光电管所接收到的图像形状,
并产生聚焦误差信号 （ 称象差法 ）
② 反射镜：具有正向反射 （ 不让光线通过 ） 的功能,
它把反射激光束信号移相 90°,让柱面透镜吸收柱面透镜：对 （ X,Y） 向光线形成不同折射率以控制光电管
③ 光电管／电子线路：
把物镜检取的聚焦误差光信号转换成电信号；
并通过电子线路放大等处理后,送给聚焦控制电机
④ 聚焦控制：根据聚焦误差输入信号,
调节聚焦伺服电机的步进输出信号,
从而调节物镜上下移动距离,
以使激光头扫描光的聚焦点准确地落在光盘信息面上
(2)光道跟踪伺服控制基本思想：使聚焦光点准确地落在螺旋线光道上；
以使激光头形成正确的径向定位,找到指定扇区闭环控制过程：
物镜 → 反射镜 → 光电管 → 电子线路 → 光道跟踪控制
① 物镜：可水平移动,以实现光道跟踪与径向定位功能；
并由道跟踪电机驱动
② 光路改进：用三光束系统,一条主光束用于聚焦凹坑光道；
并利用衍射光栅产生两条辅助光束,以作为道跟踪光束
③ 电路改进：在四象限光电管两侧,增加两个独立的光电管
（ E,F）,专门用于接收两条道跟踪光束的反射信号道跟踪误差信号 TS的光电检测原理可用下图来说明：
讨论：
① 若主光束落在光道中央，则左右跟踪光束处于预定位置；
道跟踪光电二极管（ E,F）接收到等量的反射光，故：
TS＝ E－ F＝ 0
② 若主光束／两跟踪光束均偏左，则 E管接收的反射光更少：
TS＝ E－ F＜ 0
③ 若主光束／两跟踪光束均偏右，则 F管接收的反射光更少：
TS＝ E－ F＞ 0
偏差信号 TS经放大和延时后，用于驱动光道跟踪伺服电机，
以调节物镜与光道间的径向距离实现光道跟踪与误差信号检测的逻辑电路原理如下图所示：
(3) CLV伺服控制基本思想：保证光盘的支承转盘能以可变速度旋转；
以使激光头能以恒线速扫描光盘光盘转盘 → 物镜／反射镜 → 光电管／电子线路 → CLV控制设：转盘相对于激光头的线速度为 V,盘驱动电机的角速度为 W，
激光头离盘中心的当前位置半径为 R,则：
W = V／ R
显然,V为常数的条件是,W与 R成反比；
驱动电机速度应随激光头所处位置 R而变化
CD_ROM标准规定,V≡ 1.2米 ／ 秒
W＝ 200～ 500转／分 (rpm)可调
4.3 CD_I交互式光盘系统
CD_I光盘：集音频,视频和计算机数据存储能力为一体；
具有家用电视机,录像机,音响设备和计算机互连能力的交互式多媒体系统,
或称电视计算机系统
CD_I交互设备,XY定位设备,键盘,鼠标,操纵杆,显示器正是这种多数据类型和多种媒体设备之间的可交互性,
使得 CD_I技术具有十分重要的推广应用价值
CD_I光盘系统代表了多媒体产品技术的一个发展方向；
CD_ROM等光盘新格式都考虑与 CD_I格式兼容的技术标准
4.3.1 CD_I光盘的数据格式沿袭 CD_DA和 CD_ROM格式的改进型数据格式
1.CD_I盘结构及逻辑格式物理光道盘区划分：导入区,用户数据区即节目区,导出区信息光道定义格式：一种只含 CD_I光道；另一种兼容 CD_DA光道一条信息光道的长度相当于 4秒到 72分钟的播放时间导入区：由若干个空扇区组成,以使节目区易于识别导出区：若最后一条光道是 CD_I光道,则导出区为空扇区；
若最后一条光道是 CD_DA光道,则导出区为无声帧用户数据区：对于含有 CD_DA光道的 CD_I光盘,
节目区的第一条光道必须是 CD_I光道；
而 CD_DA光道允许多达 1～ 98条；总光道编号为 1～ 99
光盘卷标：用于引导 CD_I盘片的逻辑格式内容,包括文件结构卷描述符,引导记录,终结记录；
以及文件大小和节目创作者信息等读盘：系统首先找到光盘卷标扇区,
以进行模块加载及文件存取路径表连接路径表：每张光盘必须提供一张路径表,
用于定义所有盘文件的目录结构索引；
其中包括三个信息项,
即目录文件位置,父目录号和目录文件名,
且目录文件的位置由光盘卷标给出路径表与目录结构的对应关系：表 5-1,图 5-5
4.3.2 CD_I基本系统结构
CD_I工作方式,
① 作光盘驱动器,
与家用电视机,录像机或 CD音响设备连接
② 作多媒体控制器,
与 PC机,工作站或小型机连接
1.CD_I基本系统的组成原理
CD_I系统结构的主体框架如下图所示
(1)系统结构组成
① 光盘驱动器
CD播放机：用作音频光盘播放的光驱 （ 系统入口 ）
提供兼容的输入处理
（ CD-DA数据,CD-ROM数据,CD-I数据 ）
CD_DA控制器：控制 CD播放机的运行状态,如播放,暂停,停止,弹出光盘数据选择输出 （ CD-DA； CD-ROM,CD-I）
CD_I接口：对子扇区 Subheader的细目信息进行实时解释,
并对数据和控制信号进行分解
② 多媒体控制器音频／视频信号处理器：提供多媒体应用功能 （ 关键技术 ）
CPU,M68000系列的 MPU
RAM：配置至少１ MB,组织成两个 512KB的存储体
ROM：存放 CD_I自带的 RTOS,系统结构状态描述符 CSD和字库非易失性 RAM（ NVRAM）,
为盘文件目录结构提供一个文件管理程序
DMA控制器：针对多媒体数据的巨大传输量,
改善系统公共总线的数据呑吐性能,
以提高高速大容量存储设备与主存间的数据交换效率定位设备：至少配置一个 XY定位设备用作图像交互键盘：交互选件
(2)工作原理
① 如果从 CD驱动器中读出的数据是 CD_DA音频数据,
如 PCM数据,ADPCM压缩数据；则送往音频处理器
② 如果是 CD_ROM或 CD_I数据,则送往 CD_I接口进行信号分解：
a.把 CPU控制信号发送给 CD_DA控制器；
b.把筛选出的数据送到系统总线,产生中断信号,
再送给视频处理器
③ CD-I基本系统中,所有设备都是中断驱动的
