采用SoC实现高性价比3D眼镜设计方案

　　随着3D显示技术在消费领域中的普及率不断提高，3D主动式快门眼镜製造商面临着以消费者愿意接受的成本开发出高品质眼镜的持续挑战。减少实体尺寸、开发出真正通用的作业、降低功耗也成为了跻身这一市场的製造商需要考虑的重要因素。SoC元件将在通用3D眼镜市场中扮演重要的角色，因为它们提供了从传统固定功能元件升级到完全可配置元件的能力。本文将详细介绍目前使用的3D主动式快门眼镜架构，并与已推出的基于SoC的下一代解决方案进行比较。

　　3D主动式快门眼镜架构

　　3D主动式快门眼镜是透过交替驱动两个液晶透镜开/关而进行工作。透镜的开关与3D显示器产生的‘左眼’和‘右眼’影像交替显示相互同步。当显示器显示左视影像时，眼镜将打开左眼透镜，并关闭右眼透镜，反之亦然。这种同步作业的频率与显示器的刷新率相同（一般是120Hz），人的大脑随后将这两幅影像组合起来形成景深感觉。

　　儘管不同的3D主动式快门眼镜给人的总体感觉可能有所差异，但其电气架构是非常相似的，一般分成4个专门的子系统。

　　显示同步

　　为了使用户体验到3D影像，显示器和眼镜必须达到如上所述的那种严格同步。为了做到这一点，显示器将发送一个包含同步资讯的红外线（IR）讯号。这个讯号将被眼镜中的光电二极体检测到，然后经过放大和滤波消除任何环境红外线杂讯。经处理过的讯号再被传送到系统控制器进行解码作业。

　　系统控制

　　系统控制器是眼镜的核心部份，与所有子系统相连。它接收来自显示器并被放大和滤波过的讯号，解码出同步资讯，然后将同步资讯传送给快门控制子系统。系统控制器还连接电池管理系统，确保电源供应到系统的各个角落。最后，系统控制器一般还会连接所有週边设备，如控制输入、按键或USB。

　　快门控制

　　一旦同步数据被解码出，系统控制器将与快门控制系统进行通讯，使快门作业同步于显示器。快门控制系统通常会提升系统电压，以匹配所用液晶快门的规格要求。不同供应商产品的快门电压可能不同，但通常在10V至20V之间。这个电压随后施加到快门上，快门的开关频率则与显示器的刷新率相匹配。

　　电池管理

　　所有主动式快门眼镜都要求使用电池给电子元件供电。这种电池可以是一次性使用的钮扣电池，也可以是可重覆充电的锂电池。不管是哪种系统，都要求对电压进行持续监视是池。这个电压随后施加到快门上，而使快门工作设，如控制输入、按钮，以确保给系统提供稳定的电源输出。在使用充电电池时，系统必须适当地监视和控制充电过程，主要是出于安全防护的目的，防止在电池产生故障时因过压和过流损坏元件，或伤害到用户。

　　分离元件解决方案

　　如上所述，所有3D主动式快门眼镜的基本架构都是相同的。对于第一代主动式快门设计而言，製造商一般使用分离元件实现上述总体架构中的每个子系统，如图1所示。虽然这种方案最初可以提供快速的上市时间，但有叁个主要限制因素会影响到消费者的使用。

　　

　　图1：目前的3D眼镜解决方案功能架构图。

　　

　　图2：可程式SoC方案的整合功能。

　　因素一：成本

　　如今製造商的主要工作是降低总体成本，而分离解决方案是最昂贵的一种方案。当您增加实现设计所必须的运放、升压转换器、开关、电池充电IC、微控制器和各种被动元件时，BOM成本将迅速上升。随着元件数量的增加，处理、库存和组装成本也随之增加，因此这种设计方法的成本非常高。

　　因素二：尺寸

　　当採用分离元件解决方案时，需要的元件数量和实现设计所占用的面积都很大。即使是採用了正确杂讯隔离的高效佈线设计，完成数量众多的分离元件的佈线也需要占用很大的PCB面积。消费者需要更加轻便的3D眼镜，并且需要更加时尚的外形设计。使用分离元件的设计很难同时满足这两方面的要求。

　　因素叁：灵活性

　　分离元件架构在总体设计方面欠缺灵活性，不仅难以实现真正通用的作业，而且成本高昂。此外，分离元件设计应用目标是特定显示器或特定型号。虽然有利于更快上市，但这种方案缩小了消费者选购眼镜的範围，他们只能选择显示器製造商规定的特殊牌子。

　　整合解决方案

　　虽然第一代设计使用分离元件，但一些供应商已经开始转向ASIC这种整合度更高的解决方案。相较而言，ASIC是3D眼镜的理想之选，因为它们经过专门剪裁可完成解码红外线同步协议的任务，还能处理电池充电和快门控制功能。这些功能是透过将升压威廉希尔官方网站 和开关FET整合在ASIC元件内部实现的。

　　另外，ASIC执行这些任务时非常高效，功耗相对较低，而且实现完整解决方案所需的外部元件数量也非常有限。不过，遗憾的是，基于ASIC的设计只能提供固定解决方案，当设备要求变化时无法进行修改。而且採用ASIC的设计成本很高，一旦完成设计实现，可配置选项也非常有限。如果设计产生重大变化，那么採用ASIC将不再是理想的解决方案。虽然单个ASIC的成本很低，但大多数ASIC製造商要求支付前期非重覆工程费用（NRE），而这个费用可能高达100万美元或更多。

　　设计师可能会考虑的另外一个领域是具有固定类比功能且可配置性更高的微控制器。与基于ASIC的解决方案相较，这些微控制器可以提供广泛的可配置选项，因此非常好用。儘管类比功能在不断增加，但大多数微控制器的内部资源仍然非常有限。虽然许多微控制器包含某些固定功能的内部週边设备，如ADC、比较器、定时器和PWM，但它们缺少3D眼镜设计所需的许多其它关键元件。虽然微控制器的配置功能很强大，但其整合度很有限。

　　为了补偿有限的整合度，许多公司採用红外线模组来处理红外线接收任务。这种模组在小型简化封装中包含了接收、放大和滤波红外线同步讯号所需的所有元件。但使用这种模组的问题是，它包含固定的规格，不允许製造商根据实际需要对模组进行调整或修改。这些限制还要求红外线同步资讯解码时有CPU协助参与，因而增加了元件的功耗。当CPU需要执行其它任务时，这种方法还可能降低CPU性能，因为解码同步讯号具有即时特性，具体取决于所要求的同步频度。

　　基于ASIC的架构和基于微控制器的架构所存在的侷限性迫使元件製造商在可配置能力和整合度方面作出选择。这种折衷做法也使得他们难于实现前文所述的真正通用的设计。

　　可程式的系统单晶片（SoC）

　　美国消费电子协会（CEA）正制订用于3D眼镜的红外线同步协议标準。然而，在这个标準完稿并被电视机製造商採纳之前，设计一款适合所有主要电视机品牌使用的通用3D眼镜，将需要众多的元件和很长的设计时间。每家电视机製造商对红外线频率、滤波和红外线协议等都有不同的要求。

　　挑战在于，要能够检测出消费者使用的是哪家製造商的电视机，然后动态调整3D眼镜以支援这种电视机的各种要求。这正是系统单晶片（SoC）在通用3D眼镜市场扮演重要角色的大好时机。SoC提供了从传统固定功能元件升级到完全可配置元件的能力。这些SoC元件包含丰富的、能够动态调整的可程式数位与类比资源。在SoC元件上电时，类比和数位週边设备可以在扫描红外线讯号时执行重新配置，直到元件获得与电视製造商的匹配。随后元件就可以完整的调整编程和作业以匹配製造商的规格，因而使3D眼镜就像是由电视机製造商所生产的一样。

　　许多SoC元件都包含滤波器、放大器、解调器和比较器等类比週边设备。这些週边设备的整合消除了对具体外部类比前端的需求。由于这些类比週边设备整合在SoC元件内部，因此调整暂存器就是修改增益、滤波器参数和阈值电平所需做的全部工作。像定时器/计数器等数位週边设备、PLD和各种通讯协定也可以动态调整，以满足协议解码和快门控制要求。

　　这些SoC元件的类比和数位功能还允许电池充电器和高压快门控制在单个元件内实现，外部只需少量被动元件，如FET、电感、电容器、二极体等。这种方案还允许仅对设计作最少量修改就能实现不同的眼镜产品。透过调整韧体中的一些参数，可以修改快门的高输出电压，而无需更改任何外部硬体。当电池容量改变时，不用修改外部威廉希尔官方网站 ，只要在韧体中作出一些调整就能适应新的电池。最后，由于显示同步前端的大部份工作在元件内部实现，所以当内部週边设备在韧体中作调整时，外部威廉希尔官方网站 可以保持不变。

　　为了展示这种概念，我们选用了Cypress半导体的PSoC 3系列元件，因为它们具有丰富的可程式类比与数位资源，能够在内部实现大多数3D眼镜功能。这些元件包含用于类比週边设备的可程式类比佈线和功能模组、用于製作数位週边设备的PLC逻辑以及高速Intel 8051核心。这些元件还包含一个内部数位滤波模组，可用来根据具体设计实现红外线滤波要求的动态调整。图3显示了PSoC如何整合主动式快门设计中所需的诸多组件。

　　

　　图3：PSoC方案可整合3D眼镜设计所需的诸多组件。

　　这些新的SoC元件功能给设计师提供最高的整合度和最佳的可配置能力，因而帮助他们实现真正通用的3D眼镜方案，并且降低3D眼镜的成本、尺寸和重量。由于提高了元件的整合度、改进了电源管理、提高了设计整体效率，因此功耗也大幅降低。塬理图设计变得极其简单，因而能大幅减少可能产生故障的节点数量，进一步缩短上市时间。

　　总之，从目前基于分离元件或ASIC的解决方案升级到更加灵活的SoC解决方案是大势所趋，这种方案对设计师和消费者来说都具有明显的优势。