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主动式快门眼镜制造商面临着以消费者愿意接受的成本开发出高质量眼镜的持续挑战。减小物理尺寸、开发出真正通用的操作、降低功耗也成为了挤身这一市场的制造商需要考虑的重要因素。SoC器件将在通用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器件升级到完全可配置器件的能力。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主动式快门眼镜是通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”图像交替显示相互同步。当显示器显示左眼图像时，眼镜将打开左眼透镜，并关闭右眼透镜，反之亦然。这种同步操作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图像组合起来形成景深感觉。
尽管不同的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图像，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信息的红外(IR)信号。这个信号将被眼镜中的光电二极管检测到，然后经过放大和滤波消除任何环境红外噪声。经处理过的信号再被传送到系统控制器进行解码操作。
系统控制
系统控制器是眼镜的核心部分，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信号，解码出同步信息，然后将同步信息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外设，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信，使快门操作同步于显示器。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，也可以是可重复充电的锂电池。不管是哪种系统，都要求对电压进行持续监视，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，防止在电池发生故障时因过压和过流损坏器件，或伤害到用户。
分立元件解决方案
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，制造商一般使用分立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，但有三个主要限制因素会影响到消费者的使用。
因素一：成本
如今制造商的主要工作是降低总体成本，而分立解决方案是最昂贵的一种方案。当您增加实现设计所必需的运放、升压转换器、开关、电池充电IC、微控制器和各种无源元件时，BOM成本将迅速上升。随着器件数量的增加，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
当采用分立元件解决方案时，需要的器件数量和实现设计所占用的面积都很大。即使是采用了正确噪声隔离的高效布线设计，完成数量众多的分立元件的布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。使用分立元件的设计很难同时满足这两方面的要求。
因素三：灵活性
分立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操作，而且成本高昂。此外，分立元件设计的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范围，他们只能选择显示器制造商规定的特殊牌子。
集成解决方案
虽然第一代设计使用分立元件，但一些供应商已经开始转向ASIC这种集成度更高的解决方案。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。这些功能是通过将升压电路和开关FET集成到ASIC器件内部实现的。
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。而且采用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。如果设计发生重大变化，那么采用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制造商要求支付前期非重复工程费用(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模拟功能且可配置性更高的微控制器。与基于ASIC的解决方案相比，这些微控制器可以提供广泛的可配置选项，因此非常好用。尽管模拟功能在不断增加，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外设，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，但其集成度很有限。
为了补偿有限的集成度，许多公司采用红外模块来处理红外接收任务。这种模块在小型简化封装中包含了接收、放大和滤波红外同步信号所需的所有元件。但使用这种模块的问题是，它包含固定的规格，不允许制造商根据实际需要对模块进行调整或修改。这些限制还要求红外同步信息解码时有CPU协助参与，从而增加了器件的功耗。当CPU需要执行其它任务时，这种方法还可能降低CPU性能，因为解码同步信号具有实时特性，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局限性迫使器件制造商在可配置能力和集成度方面作出选择。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。
可编程的系统级芯片(SoC)
美国消费电子协会(CEA)正在制定用于3D眼镜的红外同步协议标准。然而，在这个标准完稿并被电视机制造商采纳之前，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。每家电视机制造商对红外频率、滤波和红外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制造商的电视机，然后动态调整3D眼镜以支持这种电视机的各种要求。这正是系统级芯片(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器件升级到完全可配置器件的能力。这些SoC器件包含丰富的、能够动态调整的可编程数字与模拟资源。在SoC器件上电时，模拟和数字外设可以在扫描红外信号时执行重新配置，直到器件获得与电视制造商的匹配。随后器件就可以完整的调整编程和操作以匹配制造商的规格，从而使3D眼镜就像是由电视机制造商所生产的一样。
许多SoC器件都包含滤波器、放大器、解调器和比较器等模拟外设。这些外设的集成消除了对具体外部模拟前端的需求。由于这些模拟外设集成在SoC器件内部，因此调整寄存器就是修改增益、滤波器参数和阈值电平所需做的全部工作。像定时器/计数器等数字外设、PLD和各种通信协议也可以动态调整，以满足协议解码和快门控制要求。
这些SoC器件的模拟和数字功能还允许电池充电器和高压快门控制在单个器件内实现，外部只需少量无源器件，如FET、电感、电容、二极管等。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。通过调整固件中的一些参数，可以修改快门的高输出电压，而无需更改任何外部硬件。当电池容量改变时，不用修改外部电路，只要在固件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分工作在器件内部实现，所以当内部外设在固件中作调整时，外部电路可以保持不变。
为了演示这种概念，我们选用了赛普拉斯半导体的PSoC 3系列器件，因为它们具有丰富的可编程模拟与数字资源，能够在内部实现大多数3D眼镜功能。这些器件包含用于模拟外设的可编程模拟布线和功能模块、用于创建数字外设的PLC逻辑以及高速Intel 8051内核。这些器件还包含一个内部数字滤波模块，可用来根据具体设计实现红外滤波要求的动态调整。图3显示了PSoC如何集成主动式快门设计中所需的诸多组件。
这些新的SoC器件功能给设计师提供最高的集成度和最佳的可配置能力，从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。由于提高了元件的集成度、改进了电源管理、提高了设计的总体效率，因此功耗也有大幅降低。原理图设计变得极其简单，因而能极大地减少可能发生故障的节点数量，进一步缩短上市时间。
总之，从目前基于分立元件或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。
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