隨著(zhù)3D顯示技術(shù)在消費領(lǐng)域中的普及率不斷提高，3D主動(dòng)式快門(mén)眼鏡制造商面臨著(zhù)以消費者愿意接受的成本開(kāi)發(fā)出高質(zhì)量眼鏡的持續挑戰。減小物理尺寸、開(kāi)發(fā)出真正通用的操作、降低功耗也成為了擠身這一市場(chǎng)的制造商需要考慮的重要因素。SoC器件將在通用3D眼鏡市場(chǎng)中扮演重要的角色，因為它們提供了從傳統固定功能器件升級到完全可配置器件的能力。本文將詳細介紹目前使用的3D主動(dòng)式快門(mén)眼鏡架構，并與已推出的基于SoC的下一代解決方案進(jìn)行比較。
3D主動(dòng)式快門(mén)眼鏡架構
3D主動(dòng)式快門(mén)眼鏡是通過(guò)交替驅動(dòng)兩個(gè)液晶透鏡開(kāi)/關(guān)而進(jìn)行工作。透鏡的開(kāi)關(guān)與3D顯示器產(chǎn)生的“左眼”和“右眼”圖像交替顯示相互同步。當顯示器顯示左眼圖像時(shí)，眼鏡將打開(kāi)左眼透鏡，并關(guān)閉右眼透鏡，反之亦然。這種同步操作的頻率與顯示器的刷新率相同(一般是120Hz)，人的大腦隨后將這兩幅圖像組合起來(lái)形成景深感覺(jué)。
盡管不同的3D主動(dòng)式快門(mén)眼鏡給人的總體感覺(jué)可能有所差異，但其電氣架構是非常相似的，一般分成4個(gè)專(zhuān)門(mén)的子系統。
顯示同步
為了使用戶(hù)體驗到3D圖像，顯示器和眼鏡必須達到如上所述的那種嚴格同步。為了做到這一點(diǎn)，顯示器將發(fā)送一個(gè)包含同步信息的紅外(IR)信號。這個(gè)信號將被眼鏡中的光電二極管檢測到，然后經(jīng)過(guò)放大和濾波消除任何環(huán)境紅外噪聲。經(jīng)處理過(guò)的信號再被傳送到系統控制器進(jìn)行解碼操作。
系統控制
系統控制器是眼鏡的核心部分，與所有子系統相連。它接收來(lái)自顯示器并被放大和濾波過(guò)的信號，解碼出同步信息，然后將同步信息傳送給快門(mén)控制子系統。系統控制器還連接電池管理系統，確保電源供應到系統的各個(gè)角落。最后，系統控制器一般還會(huì )連接所有外設，如控制輸入、按鍵或USB。
快門(mén)控制
一旦同步數據被解碼出，系統控制器將與快門(mén)控制系統進(jìn)行通信，使快門(mén)操作同步于顯示器�？扉T(mén)控制系統通常會(huì )提升系統電壓，以匹配所用液晶快門(mén)的規格要求。不同供應商產(chǎn)品的快門(mén)電壓可能不同，但通常在10v至20v之間。這個(gè)電壓隨后施加到快門(mén)上，快門(mén)的開(kāi)關(guān)頻率則與顯示器的刷新率相匹配。
電池管理
所有主動(dòng)式快門(mén)眼鏡都要求使用電池給電子元件供電。這種電池可以是一次性使用的鈕扣電池，也可以是可重復充電的鋰電池。不管是哪種系統，都要求對電壓進(jìn)行持續監視，以確保給系統提供穩定的電源輸出。在使用充電電池時(shí)，系統必須適當地監視和控制充電過(guò)程，主要是出于安全防護的目的，防止在電池發(fā)生故障時(shí)因過(guò)壓和過(guò)流損壞器件，或傷害到用戶(hù)。
分立元件解決方案
如上所述，所有3D主動(dòng)式快門(mén)眼鏡的基本架構都是相同的。對于第一代主動(dòng)式快門(mén)設計而言，制造商一般使用分立元件實(shí)現上述總體架構中的每個(gè)子系統，如圖1所示。雖然這種方案最初可以提供快速的上市時(shí)間，但有三個(gè)主要限制因素會(huì )影響到消費者的使用。
圖1：目前的3D眼鏡解決方案功能框圖。
因素一：成本
如今制造商的主要工作是降低總體成本，而分立解決方案是最昂貴的一種方案。當您增加實(shí)現設計所必需的運放、升壓轉換器、開(kāi)關(guān)、電池充電IC、微控制器和各種無(wú)源元件時(shí)，BOM成本將迅速上升。隨著(zhù)器件數量的增加，處理、庫存和組裝成本也隨之增加，因此這種設計方法的成本非常高。
因素二：尺寸
當采用分立元件解決方案時(shí)，需要的器件數量和實(shí)現設計所占用的面積都很大。即使是采用了正確噪聲隔離的高效布線(xiàn)設計，完成數量眾多的分立元件的布線(xiàn)也需要占用很大的PCB面積。消費者需要更加輕便的3D眼鏡，并且需要更加時(shí)尚的外形設計。使用分立元件的設計很難同時(shí)滿(mǎn)足這兩方面的要求。
因素三：靈活性
分立元件架構在總體設計方面欠缺靈活性，不僅難以實(shí)現真正通用的操作，而且成本高昂。此外，分立元件設計的應用目標是特定顯示器或特定型號。雖然有利于更快上市，但這種方案縮小了消費者選購眼鏡的范圍，他們只能選擇顯示器制造商規定的特殊牌子。
集成解決方案
雖然第一代設計使用分立元件，但一些供應商已經(jīng)開(kāi)始轉向ASIC這種集成度更高的解決方案。相較而言，ASIC是3D眼鏡的理想之選，因為它們經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)剪裁可完成解碼紅外同步協(xié)議的任務(wù)，還能處理電池充電和快門(mén)控制功能。這些功能是通過(guò)將升壓電路和開(kāi)關(guān)FET集成到ASIC器件內部實(shí)現的。
另外，ASIC執行這些任務(wù)時(shí)非常高效，功耗相對較低，而且實(shí)現完整解決方案所需的外部元件數量也非常有限。不過(guò)，遺憾的是，基于A(yíng)SIC的設計只能提供固定解決方案，當設備要求變化時(shí)無(wú)法進(jìn)行修改。而且采用ASIC的設計成本很高，一旦完成設計實(shí)現，可配置選項也非常有限。如果設計發(fā)生重大變化，那么采用ASIC將不再是理想的解決方案。雖然單個(gè)ASIC的成本很低，但大多數ASIC制造商要求支付前期非重復工程費用(NRE)，而這個(gè)費用可能高達100萬(wàn)美元或更多。
設計師可能會(huì )考慮的另外一個(gè)領(lǐng)域是具有固定模擬功能且可配置性更高的微控制器。與基于A(yíng)SIC的解決方案相比，這些微控制器可以提供廣泛的可配置選項，因此非常好用。盡管模擬功能在不斷增加，但大多數微控制器的內部資源仍然非常有限。雖然許多微控制器包含某些固定功能的內部外設，如ADC、比較器、定時(shí)器和PWM，但它們缺少3D眼鏡設計所需的許多其它關(guān)鍵元件。雖然微控制器的配置功能很強大，但其集成度很有限。
為了補償有限的集成度，許多公司采用紅外模塊來(lái)處理紅外接收任務(wù)。這種模塊在小型簡(jiǎn)化封裝中包含了接收、放大和濾波紅外同步信號所需的所有元件。但使用這種模塊的問(wèn)題是，它包含固定的規格，不允許制造商根據實(shí)際需要對模塊進(jìn)行調整或修改。這些限制還要求紅外同步信息解碼時(shí)有CPU協(xié)助參與，從而增加了器件的功耗。當CPU需要執行其它任務(wù)時(shí)，這種方法還可能降低CPU性能，因為解碼同步信號具有實(shí)時(shí)特性，具體取決于所要求的同步頻度。
基于A(yíng)SIC的架構和基于微控制器的架構所存在的局限性迫使器件制造商在可配置能力和集成度方面作出選擇。這種折衷做法也使得他們難于實(shí)現前文所述的真正通用的設計。
圖2：可編程SoC方案的集成功能。
可編程的系統級芯片(SoC)
美國消費電子協(xié)會(huì )(CEA)正在制定用于3D眼鏡的紅外同步協(xié)議標準。然而，在這個(gè)標準完稿并被電視機制造商采納之前，設計一款適合所有主要電視機品牌使用的通用3D眼鏡，將需要眾多的元件和很長(cháng)的設計時(shí)間。每家電視機制造商對紅外頻率、濾波和紅外協(xié)議等都有不同的要求。
挑戰在于，要能夠檢測出消費者使用的是哪家制造商的電視機，然后動(dòng)態(tài)調整3D眼鏡以支持這種電視機的各種要求。這正是系統級芯片(SoC)在通用3D眼鏡市場(chǎng)扮演重要角色的大好時(shí)機。SoC提供了從傳統固定功能器件升級到完全可配置器件的能力。這些SoC器件包含豐富的、能夠動(dòng)態(tài)調整的可編程數字與模擬資源。在SoC器件上電時(shí)，模擬和數字外設可以在掃描紅外信號時(shí)執行重新配置，直到器件獲得與電視制造商的匹配。隨后器件就可以完整的調整編程和操作以匹配制造商的規格，從而使3D眼鏡就像是由電視機制造商所生產(chǎn)的一樣。
許多SoC器件都包含濾波器、放大器、解調器和比較器等模擬外設。這些外設的集成消除了對具體外部模擬前端的需求。由于這些模擬外設集成在SoC器件內部，因此調整寄存器就是修改增益、濾波器參數和閾值電平所需做的全部工作。像定時(shí)器/計數器等數字外設、PLD和各種通信協(xié)議也可以動(dòng)態(tài)調整，以滿(mǎn)足協(xié)議解碼和快門(mén)控制要求。
這些SoC器件的模擬和數字功能還允許電池充電器和高壓快門(mén)控制在單個(gè)器件內實(shí)現，外部只需少量無(wú)源器件，如FET、電感、電容、二極管等。這種方案還允許僅對設計作最少量修改就能實(shí)現不同的眼鏡產(chǎn)品。通過(guò)調整固件中的一些參數，可以修改快門(mén)的高輸出電壓，而無(wú)需更改任何外部硬件。當電池容量改變時(shí)，不用修改外部電路，只要在固件中作出一些調整就能適應新的電池。最后，由于顯示同步前端的大部分工作在器件內部實(shí)現，所以當內部外設在固件中作調整時(shí)，外部電路可以保持不變。
為了演示這種概念，我們選用了賽普拉斯半導體的PSoC 3系列器件，因為它們具有豐富的可編程模擬與數字資源，能夠在內部實(shí)現大多數3D眼鏡功能。這些器件包含用于模擬外設的可編程模擬布線(xiàn)和功能模塊、用于創(chuàng )建數字外設的PLC邏輯以及高速I(mǎi)ntel 8051內核。這些器件還包含一個(gè)內部數字濾波模塊，可用來(lái)根據具體設計實(shí)現紅外濾波要求的動(dòng)態(tài)調整。圖3顯示了PSoC如何集成主動(dòng)式快門(mén)設計中所需的諸多組件。
圖3：PSoC方案可集成3D眼鏡設計所需的諸多組件。
這些新的SoC器件功能給設計師提供最高的集成度和最佳的可配置能力，從而幫助他們實(shí)現真正通用的3D眼鏡方案，并且降低3D眼鏡的成本、尺寸和重量。由于提高了元件的集成度、改進(jìn)了電源管理、提高了設計的總體效率，因此功耗也有大幅降低。原理圖設計變得極其簡(jiǎn)單，因而能極大地減少可能發(fā)生故障的節點(diǎn)數量，進(jìn)一步縮短上市時(shí)間。
總之，從目前基于分立元件或ASIC的解決方案升級到更加靈活的SoC解決方案是大勢所趨，這種方案對設計師和消費者來(lái)說(shuō)都具有明顯的優(yōu)勢。 |
