隨著3D顯示技術(shù)在消費(fèi)領(lǐng)域中的普及率不斷提高，3D主動(dòng)式快門眼鏡制造商面臨著以消費(fèi)者愿意接受的成本開發(fā)出高質(zhì)量眼鏡的持續(xù)挑戰(zhàn)。減小物理尺寸、開發(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?yàn)樗鼈兲峁┝藦膫鹘y(tǒng)固定功能器件升級(jí)到完全可配置器件的能力。本文將詳細(xì)介紹目前使用的3D主動(dòng)式快門眼鏡架構(gòu)，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)式快門眼鏡架構(gòu)
3D主動(dòng)式快門眼鏡是通過(guò)交替驅(qū)動(dòng)兩個(gè)液晶透鏡開/關(guān)而進(jìn)行工作。透鏡的開關(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(dāng)顯示器顯示左眼圖像時(shí)，眼鏡將打開左眼透鏡，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。
盡管不同的3D主動(dòng)式快門眼鏡給人的總體感覺可能有所差異，但其電氣架構(gòu)是非常相似的，一般分成4個(gè)專門的子系統(tǒng)。
顯示同步
為了使用戶體驗(yàn)到3D圖像，顯示器和眼鏡必須達(dá)到如上所述的那種嚴(yán)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(hào)。這個(gè)信號(hào)將被眼鏡中的光電二極管檢測(cè)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(hào)再被傳送到系統(tǒng)控制器進(jìn)行解碼操作。
系統(tǒng)控制
系統(tǒng)控制器是眼鏡的核心部分，與所有子系統(tǒng)相連。它接收來(lái)自顯示器并被放大和濾波過(guò)的信號(hào)，解碼出同步信息，然后將同步信息傳送給快門控制子系統(tǒng)。系統(tǒng)控制器還連接電池管理系統(tǒng)，確保電源供應(yīng)到系統(tǒng)的各個(gè)角落。最后，系統(tǒng)控制器一般還會(huì)連接所有外設(shè)，如控制輸入、按鍵或USB。
快門控制
一旦同步數(shù)據(jù)被解碼出，系統(tǒng)控制器將與快門控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，使快門操作同步于顯示器。快門控制系統(tǒng)通常會(huì)提升系統(tǒng)電壓，以匹配所用液晶快門的規(guī)格要求。不同供應(yīng)商產(chǎn)品的快門電壓可能不同，但通常在10v至20v之間。這個(gè)電壓隨后施加到快門上，快門的開關(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(fù)充電的鋰電池。不管是哪種系統(tǒng)，都要求對(duì)電壓進(jìn)行持續(xù)監(jiān)視，以確保給系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源輸出。在使用充電電池時(shí)，系統(tǒng)必須適當(dāng)?shù)乇O(jiān)視和控制充電過(guò)程，主要是出于安全防護(hù)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。
分立元件解決方案
如上所述，所有3D主動(dòng)式快門眼鏡的基本架構(gòu)都是相同的。對(duì)于第一代主動(dòng)式快門設(shè)計(jì)而言，制造商一般使用分立元件實(shí)現(xiàn)上述總體架構(gòu)中的每個(gè)子系統(tǒng)，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(fèi)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(dāng)您增加實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)所必需的運(yùn)放、升壓轉(zhuǎn)換器、開關(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。隨著器件數(shù)量的增加，處理、庫(kù)存和組裝成本也隨之增加，因此這種設(shè)計(jì)方法的成本非常高。
因素二：尺寸
當(dāng)采用分立元件解決方案時(shí)，需要的器件數(shù)量和實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)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設(shè)計(jì)，完成數(shù)量眾多的分立元件的布線也需要占用很大的PCB面積。消費(fèi)者需要更加輕便的3D眼鏡，并且需要更加時(shí)尚的外形設(shè)計(jì)。使用分立元件的設(shè)計(jì)很難同時(shí)滿足這兩方面的要求。
因素三：靈活性
分立元件架構(gòu)在總體設(shè)計(jì)方面欠缺靈活性，不僅難以實(shí)現(xiàn)真正通用的操作，而且成本高昂。此外，分立元件設(shè)計(jì)的應(yīng)用目標(biāo)是特定顯示器或特定型號(hào)。雖然有利于更快上市，但這種方案縮小了消費(fèi)者選購(gòu)眼鏡的范圍，他們只能選擇顯示器制造商規(guī)定的特殊牌子。
集成解決方案
雖然第一代設(shè)計(jì)使用分立元件，但一些供應(yīng)商已經(jīng)開始轉(zhuǎn)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?yàn)樗鼈兘?jīng)過(guò)專門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控制功能。這些功能是通過(guò)將升壓電路和開關(guān)FET集成到ASIC器件內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的。
另外，ASIC執(zhí)行這些任務(wù)時(shí)非常高效，功耗相對(duì)較低，而且實(shí)現(xiàn)完整解決方案所需的外部元件數(shù)量也非常有限。不過(guò)，遺憾的是，基于ASIC的設(shè)計(jì)只能提供固定解決方案，當(dāng)設(shè)備要求變化時(shí)無(wú)法進(jìn)行修改。而且采用ASIC的設(shè)計(jì)成本很高，一旦完成設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，可配置選項(xiàng)也非常有限。如果設(shè)計(jì)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(shù)ASIC制造商要求支付前期非重復(fù)工程費(fèi)用(NRE)，而這個(gè)費(fèi)用可能高達(dá)100萬(wàn)美元或更多。
設(shè)計(jì)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ASIC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(xiàng)，因此非常好用。盡管模擬功能在不斷增加，但大多數(shù)微控制器的內(nèi)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(nèi)部外設(shè)，如ADC、比較器、定時(shí)器和PWM，但它們?nèi)鄙?D眼鏡設(shè)計(jì)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(qiáng)大，但其集成度很有限。
為了補(bǔ)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(hào)所需的所有元件。但使用這種模塊的問題是，它包含固定的規(guī)格，不允許制造商根據(jù)實(shí)際需要對(duì)模塊進(jìn)行調(diào)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(dāng)CPU需要執(zhí)行其它任務(wù)時(shí)，這種方法還可能降低CPU性能，因?yàn)榻獯a同步信號(hào)具有實(shí)時(shí)特性，具體取決于所要求的同步頻度。
基于ASIC的架構(gòu)和基于微控制器的架構(gòu)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(xiàn)前文所述的真正通用的設(shè)計(jì)。
圖2：可編程SoC方案的集成功能。
可編程的系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)
美國(guó)消費(fèi)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(biāo)準(zhǔn)。然而，在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)完稿并被電視機(jī)制造商采納之前，設(shè)計(jì)一款適合所有主要電視機(jī)品牌使用的通用3D眼鏡，將需要眾多的元件和很長(zhǎng)的設(shè)計(jì)時(shí)間。每家電視機(jī)制造商對(duì)紅外頻率、濾波和紅外協(xié)議等都有不同的要求。
挑戰(zhàn)在于，要能夠檢測(cè)出消費(fèi)者使用的是哪家制造商的電視機(jī)，然后動(dòng)態(tài)調(diào)整3D眼鏡以支持這種電視機(jī)的各種要求。這正是系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)在通用3D眼鏡市場(chǎng)扮演重要角色的大好時(shí)機(jī)。SoC提供了從傳統(tǒng)固定功能器件升級(jí)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(diào)整的可編程數(shù)字與模擬資源。在SoC器件上電時(shí)，模擬和數(shù)字外設(shè)可以在掃描紅外信號(hào)時(shí)執(zhí)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(diào)整編程和操作以匹配制造商的規(guī)格，從而使3D眼鏡就像是由電視機(jī)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(diào)器和比較器等模擬外設(shè)。這些外設(shè)的集成消除了對(duì)具體外部模擬前端的需求。由于這些模擬外設(shè)集成在SoC器件內(nèi)部，因此調(diào)整寄存器就是修改增益、濾波器參數(shù)和閾值電平所需做的全部工作。像定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等數(shù)字外設(shè)、PLD和各種通信協(xié)議也可以動(dòng)態(tài)調(diào)整，以滿足協(xié)議解碼和快門控制要求。
這些SoC器件的模擬和數(shù)字功能還允許電池充電器和高壓快門控制在單個(gè)器件內(nèi)實(shí)現(xiàn)，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(duì)設(shè)計(jì)作最少量修改就能實(shí)現(xiàn)不同的眼鏡產(chǎn)品。通過(guò)調(diào)整固件中的一些參數(shù)，可以修改快門的高輸出電壓，而無(wú)需更改任何外部硬件。當(dāng)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(diào)整就能適應(yīng)新的電池。最后，由于顯示同步前端的大部分工作在器件內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，所以當(dāng)內(nèi)部外設(shè)在固件中作調(diào)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(dǎo)體的PSoC 3系列器件，因?yàn)樗鼈兙哂胸S富的可編程模擬與數(shù)字資源，能夠在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)大多數(shù)3D眼鏡功能。這些器件包含用于模擬外設(shè)的可編程模擬布線和功能模塊、用于創(chuàng)建數(shù)字外設(shè)的PLC邏輯以及高速Intel 8051內(nèi)核。這些器件還包含一個(gè)內(nèi)部數(shù)字濾波模塊，可用來(lái)根據(jù)具體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)紅外濾波要求的動(dòng)態(tài)調(diào)整。圖3顯示了PSoC如何集成主動(dòng)式快門設(shè)計(jì)中所需的諸多組件。
圖3：PSoC方案可集成3D眼鏡設(shè)計(jì)所需的諸多組件。
這些新的SoC器件功能給設(shè)計(jì)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(xiàn)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(shè)計(jì)的總體效率，因此功耗也有大幅降低。原理圖設(shè)計(jì)變得極其簡(jiǎn)單，因而能極大地減少可能發(fā)生故障的節(jié)點(diǎn)數(shù)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(jí)到更加靈活的SoC解決方案是大勢(shì)所趨，這種方案對(duì)設(shè)計(jì)師和消費(fèi)者來(lái)說(shuō)都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。 |
