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Die Erfindung betrifft eine Prozessor-Anordnung,
eine Textilgewebestruktur, sowie eine Flächenverkleidungsstruktur.
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Eine Prozessor-Anordnung mit einer
Vielzahl von unabhängigen,
miteinander mittels unidirektionaler oder bidirektionaler Kommunikationsverbindungen
gekoppelter Prozessoren ist aus [1] bekannt. Prozessorelemente 201 der
in 2 dargestellten Prozessor-Anordnung 200 gemäß [1] sind
matrixförmig
in Zeilen und Spalten angeordnet. Üblicherweise sind die Prozessorelemente 201 gleichartig
ausgestaltet. Ferner sind eine Vielzahl von Aktoren und/oder Sensoren
in den Prozessorelementen 201 der Prozessor-Anordnung 200 vorgesehen
(nicht dargestellt), wobei jeweils ein Sensor und/oder Aktor mit
einem Prozessor in einem Prozessorelement 201 der Prozessor-Anordnung 200 gekoppelt
ist.
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Die Prozessorelemente 201 sind
mittels bidirektionaler Punktzu-Punkt-Kommunikationsverbindungen 202 gekoppelt,
wobei ein Prozessorelement 201 gemäß der Matrixstruktur nur mit
dem Prozessorelement 201 unmittelbar örtlich benachbarten Nachbar-Prozessorelement
zum Austausch von elektronischen Nachrichten gekoppelt ist. Die
Prozessorelemente 201 werden zur Datenverarbeitung, insbesondere
auch zur Steuerung von Informationsdarstellung mittels als Leuchtdioden
ausgestalteten Aktoren oder mittels als Display ausgestalteten Aktoren
oder zur Aufnahme, Vorverarbeitung und Weiterleitung von mittels
der Sensoren aufgezeichneten lokalen Sensordaten verwendet. Mittels
der Sensordaten kann beispielsweise die Existenz einer Person in
lokaler Nähe
des jeweiligen Sensors erfasst werden oder es können lokale Materialeigenschaften
eines in unmittelbarer Umgebung des Sensors sich befindenden Materials
erfasst werden.
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Die Prozessorelemente 201 sind
somit nur in der Lage, lokal elektronische Nachrichten mit den ihm
jeweils örtlich
unmittelbar benachbarten Nachbar-Prozessorelementen auszutauschen.
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[1] beschreibt alternativ eine Prozessor-Anordnung,
bei der die Prozessorelemente in sechseckigen Elementen enthalten
sind und die Elemente in einer Hexagonalstruktur innerhalb der Prozessor-Anordnung
angeordnet sind, so dass ein Prozessorelement in diesem Fall jeweils
Sechs-Nachbar-Prozessorelemente
aufweist, mit denen der jeweilige Prozessor mittels unidirektionaler
Kommunikationsverbindungen oder bidirektionaler Kommunikationsverbindungen
gekoppelt ist zum Austausch elektronischer Nachrichten.
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Ferner sind in [1] ein Algorithmus
zur fehlertoleranten Selbstorganisation der Prozessorelemente 201 innerhalb
der Prozessor-Anordnung 200 sowie eine Prozessor-Anordnung 200 mit
einer hierarchischen Matrixstruktur beschrieben, wobei in jeder Hierarchieebene
der Prozessor-Anordnung 200 eine unterschiedliche Anzahl
von Prozessorelementen enthalten ist zur Ansteuerung von großflächigen Matrix-Sensoren
oder Displays.
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Ferner ist in der Prozessor-Anordnung 200 ein
Schnittstellen-Prozessor 203 vorgesehen,
der mit den sich am Rand der Prozessor-Anordnung 200 befindenden
Prozessoren 201 gekoppelt ist. Auf diese Weise können elektronische
Nachrichten von einem mit dem Schnittstellen-Prozessor 203 gekoppelten Auswertesystem 204 oder
Steuerungssystem 204 in den Schnittstellen-Prozessor 203 eingelesen
werden oder in die Prozessor-Anordnung 200 eingeleitet werden,
anders ausgedrückt,
zu den Prozessorelementen 201 der Prozessor-Anordnung 200 gesendet werden,
insbesondere zur Steuerung eines mit dem jeweiligen Prozessor des
Prozessorelements 201 gekoppelten Aktors.
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Die Kommunikation erfolgt jedoch
bidirektional, so dass auch elektronische Nachrichten von den einzelnen
Prozessorelementen 201 zu dem Schnittstellen-Prozessor 203 und
von diesem an das Auswertesystem 204 oder das Steuerungssystem 204 übermittelt
werden kann.
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Anschaulich bildet der Schnittstellen-Prozessor 203 ein
Nachrichten-Portal, anders ausgedrückt, eine Nachrichten-Schnittstelle zum
Austausch elektronischer Nachrichten aus der Prozessor-Anordnung 200 heraus
bzw. in diese hinein.
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Ziel einer in [1] beschriebenen Anordnung
ist es, dass die Prozessoren der Prozessor-Anordnung möglichst
kostengünstig
aufgebaut sein sollen und aus möglichst
wenigen Einzelkomponenten mit jeweils besonders niedrigen Anforderungen
bestehen sollen. Insbesondere ist es ein Ziel, die Kopplung zwischen
den einzelnen Prozessoren innerhalb der Prozessor-Anordnung auf
möglichst
einfache Weise bereitzustellen.
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Problematisch ist bei der aus [1]
bekannten Prozessor-Anordnung
allgemein, dass jeder Prozessor mit vier bzw. sechs voneinander
unabhängigen bidirektionalen
Kommunikationsverbindungen zu den jeweiligen vier, bzw. sechs Nachbar-Prozessoren ausgestattet
sein muss.
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Zwar verfügen die meisten heutzutage
kommerziell erhältlichen,
kostengünstigen
Mikrocontroller, d.h. Prozessoren, welche sich als zentrales Steuerungselement
in den Prozessorelementen, welche die Prozessoren enthalten, anbieten, über standardisierte
Kommunikationsschnittstellen, jedoch ist die Anzahl der von einem
Mikrocontroller üblicherweise bereitgestellten
standardisierten Kommunikationsschnittstellen deutlich geringer
als die in der oben beschriebenen Prozessor-Anordnung erforderlichen vier,
bzw. sechs Kommunikationsschnittstellen.
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Daher müssten in der in [1] beschriebenen Prozessor-Anordnung
in jedem Prozessorelement zu den Kommunikationsschnittstellen der
Prozessoren zusätzliche
Kommunikationsbausteine eingesetzt werden, um die zusätzlich erforderlichen
Kommunikationsschnittstellen zu realisieren, wodurch die Materialkosten
und der Integrationsaufwand zum Herstellen einer Prozessor-Anordnung
deutlich erhöht würde.
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Ferner sind unterschiedliche Bussysteme bekannt,
wie beispielsweise ein Bussystem, bei dem eine Seriell-Parallel-Interface-Schnittstelle (SPI-Schnittstelle)
verwendet wird, alternativ ein Bussystem gemäß dem Controller Area Network-Standard (CAN-Standard)
oder ein Bussystem, bei dem eine I2C-Schnittstelle zum
Austausch elektronischer Daten eingesetzt wird (vgl. [2]).
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Der Erfindung liegt das Problem zu
Grunde eine Prozessor-Anordnung
bereitzustellen, bei der die verwendeten Prozessoren nicht mit zusätzlichen Kommunikationsschnittstellen
in den Prozessorelementen ausgestattet werden müssen.
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Das Problem wird durch die Prozessor-Anordnung,
die Textilgewebestruktur, sowie die Flächenverkleidungsstruktur mit
den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
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Eine Prozessor-Anordnung weist mindestens
einen Schnittstellen-Prozessor auf, der eine Nachrichten-Schnittstelle der
Prozessor-Anordnung bereitstellt. Ferner sind eine Vielzahl von
Prozessoren vorgesehen, wobei zumindest teilweise nur die einander örtlich direkt
benachbart zueinander angeordneten Prozessoren miteinander zum Austausch elektronischer
Nachrichten gekoppelt sind. Ferner ist eine Vielzahl von Sensoren
und/oder Aktoren in der Prozessor-Anordnung vorgesehen, wobei jedem Prozessor
der Vielzahl von Prozessoren ein Sensor und/oder ein Aktor zugeordnet
und mit dem jeweiligen Prozessor gekoppelt ist, wobei Sensordaten und/oder
Aktordaten in den elektronischen Nachrichten von bzw. zu dem Schnittstellen-Prozessor übertragen
werden können.
Die einander örtlich
direkt benachbart angeordneten Prozessoren sind miteinander zumindest
teilweise gemäß einer
regulären Kopplungs-Topologie
des Grades größer als
eins gekoppelt.
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Eine Textilgewebestruktur weist eine
oben beschriebene Prozessor-Anordnung auf, wobei die Prozessoren
in der Textilgewebestruktur angeordnet sind. Ferner sind in der
Textilgewebestruktur elektrisch leitfähige Fäden vorgesehen, welche die
Prozessoren miteinander koppeln. Ferner enthält die Textilgewebestruktur
leitfähige
Datenübertragungs-Fäden, welche
die Prozessoren miteinander koppeln. Zusätzlich sind elektrisch nicht-leitfähige Fäden in der
Textilgewebestruktur vorhanden.
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Ferner sind die elektrisch leitfähigen Fäden und
die leitfähigen
Datenübertragungsfäden am Rande
der Textilgewebestruktur jeweils mit elektrischen Schnittstellen
bzw. Datenübertragungsschnittstellen versehen.
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Die Textilgewebestruktur besitzt
durch ihren Aufbau gegenüber
dem Stand der Technik den Vorteil, dass sie großflächig hergestellt werden und
einfach in jede gewünschte
Form geschnitten werden kann. Somit kann sie an jede beliebige Fläche, auf der
sie verlegt werden soll, auf einfache Weise angepasst werden. Es
ist nicht notwendig, die einzelnen in der Textilgewebestruktur vorgesehen
Prozessorelemente, wie beispielsweise Sensoren oder Aktoren (z.B.
Leuchtdioden) oder Prozessoren, nachträglich miteinander zu koppeln,
da die Prozessorelemente schon innerhalb der Textilgewebestruktur
miteinander gekoppelt sind.
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Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass eine
Mehrzahl von Prozessorelementen in einer Textilgewebestruktur zur
Verkleidung einer Fläche
eingebettet wird. Vorzugsweise sind die einzelnen Prozessorelemente
innerhalb der Textilgewebestruktur aufgrund zusätzlich vorgesehener Komponenten
in der Lage, mit anderen Prozessorelementen in der Textilgewebestruktur über die
Datenübertragungs-Fäden elektronische
Nachrichten auszutauschen und somit beispielsweise eine lokale Positionsbestimmung
des jeweiligen Prozessorelements innerhalb der Textilgewebestruktur,
vorzugsweise gemäß dem in
[1] beschriebenen Verfahren, bzw. bezüglich einer vorgegebenen Referenzposition
zu ermöglichen,
d.h. eine Selbstorganisation durchzuführen.
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Somit wird es für ein Prozessorelement sehr einfach
ermöglicht,
seine Position innerhalb einer Fläche ohne zusätzliche
externe Information zu bestimmen, auch wenn eine Textilgewebestruktur
durch Schneiden in eine vorgegebene Form gebracht wird, wobei durch
das Schneiden Prozessorelemente oder Kopplungsleitungen zwischen
den einzelnen Mikroelektronikkomponenten zerstört oder entfernt werden können.
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Damit ist es, im Falle einer Selbstorganisation
der Prozessorelemente für
den Massenmarkt auf sehr einfache und kostengünstige Weise ermöglicht, eine
Textilgewebestruktur auszugestalten und zur Verlegung der Textilgewebestruktur
die Textilgewebestruktur gemäß einer
vorgegebenen, gewünschten Form
zuzuschneiden und trotz der zusätzlichen
in der Textilgewebestruktur integrierten Elektronik nicht darauf
achten zu müssen,
an welchen Positionen die Prozessorelemente innerhalb der mit dieser
bedeckten Fläche
angeordnet sind, damit das jeweilige Prozessorelement innerhalb
der Textilgewebestruktur eindeutig adressierbar ist.
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Bei einer Flächenverkleidungsstruktur ist eine
oben beschriebene Textilgewebestruktur vorgesehen, auf welcher eine
Flächenverkleidung
fixiert ist.
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Anschaulich kann die Erfindung darin
gesehen werden, dass aufgrund der regulären Kopplungs-Topologie des
Grades größer als
eins innerhalb der Prozessor-Anordnung der Integrationsaufwand und
der Handwareaufwand für
die Prozessorelemente mit den Prozessoren in der Prozessor-Anordnung dahingehend
verringert wird, dass an Stelle der zuvor beispielsweise vier oder
sechs bidirektionalen Kommunikationsschnittstellen (vgl. 2) nunmehr nur noch eine
reduzierte Anzahl von Kommunikationsschnittstellen erforderlich
ist, so dass es nicht mehr erforderlich ist, in einem Prozessorelement
zusätzlich
zu den von dem Prozessor selbst schon bereitgestellten Kommunikationsschnittstellen zusätzliche
Kommunikationsschnittstellen vorzusehen.
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Insbesondere sind nur noch zwei Kommunikationsschnittstellen
anstelle der ursprünglich
erforderlichen vier, bzw. sechs Kommunikationsschnittstelen erforderlich.
Zwei Kommunikationsschnittstellen sind bei vielen heutzutage kommerziell
erhältlichen
Mikrocontrollern, d.h. Prozessoren vorgesehen sind.
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So werden beispielsweise von einigen
Mikrocontrollern der Firm InfineonTM, z.B.
die Mikrocontroller XC161 oder XC164, zwei standardisierte Kommunikationsschnittstellen
bereitgestellt. Somit können die
Prozessorelemente erheblich kostengünstiger und mit weniger Komponenten
hergestellt werden, ohne auf eine standardisierte Kommunikation,
d.h. ohne auf dem Einsatz eines standardisierten Kommunikationsprotokolls,
verzichten zu müssen.
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Anschaulich wird erfindungsgemäß nicht mehr,
wie gemäß dem Stand
der Technik, eine Punkt-zu-Punkt-Kommunikationsverbindung
zur Kopplung zweier örtlich
direkt zueinander benachbart angeordneten Prozessoren verwendet,
was einer Kopplungs-Topologie des Grades gleich eins entsprechen
würde,
sondern es wird eine reguläre Kopplungs-Topologie
des Grades größer als
eins eingesetzt, vorzugsweise eine reguläre Bus-Kopplungs-Topologie
oder eine reguläre
Ring-Kopplungs-Topologie.
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Allgemein kann erfindungsgemäß jede reguläre höherwertige
(größer als
eins) Kopplungs-Topologie zur Kopplung der einander unmittelbar
benachbart angeordneten Prozessoren innerhalb der Prozessor-Anordnung
verwendet werden.
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Anschaulich bedeutet dies, dass die
Reduktion der Anzahl benötigter
Kommunikationsschnittstellen erreicht wird, indem von einer Punkt-zu-Punkt-Kommunikationsverbindung
zu einer regulären
höheren
(höherwertigen)
Topologie mit jeweils vorzugsweise maximal vier Teilnehmern übergegangen
wird. Dabei bleibt die Forderung nach lokaler Kommunikation zwischen
einander örtlich
unmittelbar benachbart angeordneten Prozessoren weiterhin erfüllt und
die Gitterstruktur der bei der ursprünglichen Anordnung vorhandenen
Kommunikations-Verbindungsleitungen
kann ohne Änderung übernommen
werden, so dass die grundsätzliche
Anordnung wie sie in [1] beschrieben ist, eingesetzt werden kann.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben
sich aus den abhängigen
Ansprüchen.
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Eine besonders einfache, damit kostengünstige und
fehlerrobuste reguläre
Kopplungs-Topologie des Grades größer als eins ist gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung eine reguläre Bus-Kopplungs-Topologie,
gemäß der die
einander örtlich
direkt benachbart angeordneten Prozessoren miteinander gekoppelt
sind.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung
der Erfindung ist eine einfache und damit kostengünstige reguläre Kopplungs- Topologie des Grades
größer als eins
zur Kopplung der einander örtlich
direkt benachbart angeordneten Prozessoren eine reguläre Ring-Kopplungs-Topologie.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung
ist es vorgesehen, dass die reguläre Bus-Kopplungs-Topologie
gemäß einem
der folgenden Kommunikationsschnittstellen-Standards eingerichtet
ist.
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- – Serial-Parallel-Interface-Schnittstelle (SPI-Schnittstelle),
- – Controller
Area Network-Schnittstelle (CAN-Schnittstelle),
oder
- – eine
in [2] beschriebene I2C-Schnittstelle.
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Anders ausgedrückt ist gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung
ein SPI-Bus, ein CAN-Bus oder ein I2C-Bus
vorgesehen zur Bereitstellung der regulären Kopplungs-Topologie des Grades
größer als
eins.
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Die Prozessoren können in Zeilen und Spalten
in Form einer Matrix angeordnet sein, alternativ in Form einer hexagonalen
Struktur.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Textilgewebestruktur
sind die elektrisch leitfähigen
Fäden derart eingerichtet,
dass sie zur Energieversorgung der Mehrzahl von Prozessoren und/oder
Aktoren verwendet werden können.
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Gemäß einer anderen Ausgestaltung
der Erfindung sind die leitfähigen
Datenübertragungs-Fäden elektrisch
leitfähig.
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Alternativ können die leitfähigen Datenübertragungs-Fäden optisch
leitfähig
sein.
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Besonders vorzugsweise ist jedes
Prozessorelement aus der Mehrzahl von Prozessorelementen mit allen
benachbarten Prozessorelementen mittels der leitfähigen Fäden und
der leitfähigen
Datenübertragungs-Fäden gekoppelt,
d.h. bei einem regelmäßigen rechteckigen
Raster mit jeweils vier benachbarten Prozessorelementen.
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Vorzugsweise ist mindestens ein Sensor
mit der Mehrzahl von Prozessoren gekoppelt. Solch ein Sensor kann
ein Drucksensor, ein Wärmesensor,
ein Rauchsensor, ein optischer Sensor oder ein Geräuschsensor
sein.
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In einer Weiterbildung weist die
Textilgewebestruktur mindestens ein bildgebendes Element und/oder,
ein Schallwellen-Erzeugungselement und/oder ein Vibrations-Erzeugungselement
auf, welches mit mindestens einem Teil der Mehrzahl von Prozessorelementen
gekoppelt ist.
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Das heißt, dass die Textilgewebestruktur mindestens
einen darin integrierten Aktor aufweist. Der Aktor ist beispielsweise
eine bildgebende Einheit oder eine schallerzeugende Einheit, vorzugsweise eine
Flüssigkeits-Kristall-Anzeigeeinheit
oder eine Polymerelektronik-Anzeigeeinheit,
allgemein jede Art von Anzeigeeinheit, oder ein Lautsprecher, der
eine Schallwelle erzeugt, allgemein jedes eine elektromagnetische
Welle erzeugende Element. Ein weiterer möglicher vorgesehener Aktor
ist ein vibrationserzeugendes Element.
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Gemäß einer anderen Ausgestaltung
ist bei der Textilgewebestruktur die Mehrzahl von Prozessoren und/oder
Sensoren und/oder Aktoren derart eingerichtet, dass zum Ermitteln
eines jeweiligen Abstands eines ersten Prozessorelements von einer Referenzposition
elektronische Nachrichten ausgetauscht werden zwischen dem ersten
Prozessorelement und einem zweiten, benachbarten Prozessorelement
der Textilgewebestruktur. Jede Nachricht enthält eine Abstandsinformation,
welche den Abstand eines die Nachricht sendenden Prozessorelements oder
eines die Nachricht empfangenden Prozessorelements von der Referenzposition
angibt. Ferner ist die Mehrzahl von Prozessorelementen derart eingerichtet,
dass aus der Abstandsinformation einer empfangenen Nachricht der
eigene Abstand zu der Referenzposition ermittelbar ist oder speicherbar
ist.
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Vorzugsweise ist die Flächenverkleidungsstruktur
als Wand Verkleidungsstruktur oder Fußboden-Verkleidungstruktur
oder Decken-Verkleidungstruktur ausgebildet.
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Die Flächenverkleidungsstruktur kann
zumindest über
Teilbereichen der Textilgewebestruktur ein gleichförmig mit
elektrisch leitfähigen
Drähten durchzogenes
Textil aufweisen.
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Das mit elektrisch leitfähigen Drähten durchzogene
Textil kann zur Vermeidung von „Elektrosmog" in der Umgebung
von Menschen verwendet werden. Hierdurch kann der „Elektrosmog" abgeschirmt werden.
Dabei ist jedoch zu beachten, dass gegebenenfalls bestimmte Bereiche,
z.B. Bereiche über
kapazitiven Sensoren, nicht von der Abschirmung überdeckt werden dürfen.
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Die Erfindung eignet sich insbesondere
zum Einsatz in folgenden Anwendungsbereichen:
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- – Hausautomatisierung,
insbesondere zur Erhöhung
des häuslichen
Komforts,
- – Alarmanlagen
mit Positionsbestimmung und optionaler Gewichtsbestimmung eines
Eindringlings,
- – eine
automatische Besucherführung
auf Messen bei einer Ausstellung oder in einem Museum,
- – für ein Leitsystem
in einer Notfallsituation, beispielsweise in einem Flugzeug oder
in einem Zug, um den Passagieren einen Weg zu einem Notausgang anzuzeigen,
- – in
Textilbetonkonstruktionen, in welchen Textilgewebestrukturen dazu
dienen können,
mögliche Schäden zu detektieren,
- – Informationsgewinnung
zur Führung
einer Statistik, in welchen Bereichen in einem Geschäft sich
Kunden wie lange aufhalten.
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Eine erfindungsgemäße Textilgewebestruktur
enthält
neben einen vorzugsweise aus Kunstfaser (elektrisch nichtleitfähigen Fäden) bestehenden Grundgewebe
leitfähige
Fäden,
vorzugsweise leitfähige
Kett- und Schussfäden,
die vorzugsweise aus Metalldrähten,
z.B. Kupfer, Polymerfilamenten, Carbonfilamenten oder anderen elektrisch
leitfähigen Drähten bestehen.
Werden Metalldrähte
verwendet, wird vorzugsweise eine Beschichtung aus edleren Metallen,
z.B. Gold oder Silber als Korrosionsschutz bei Feuchtigkeit oder
aggressiven Medien verwendet. Eine andere Möglichkeit besteht darin, Metallfäden durch
das Aufbringen eines Isolierlackes, z.B. Polyester, Polyamidimid,
oder Polyurethan zu isolieren.
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Als Datenübertragungs-Fäden können neben
elektrisch leitfähigen
Fasern auch Lichtwellenleiter aus Kunststoff oder Glas verwendet
werden.
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Das Grundgewebe der Textilgewebestruktur wird
vorzugsweise in einer Dicke hergestellt, welche einer Dicke des
zu integrierenden Prozessorelements, im Folgenden auch Mikroprozessormodule genannt,
z.B. Sensoren, Leuchtdioden und/oder Mikroprozessoren angepasst
ist. Ein Sensor kann z.B. ein Drucksensor, ein Wärmesensor, ein Rauchsensor,
ein optischer Sensor oder ein Geräuschsensor sein. Vorzugsweise
wird ein Abstand der optisch und/oder elektrisch leitfähigen Fasern
so gewählt, dass
es zu einem Anschlussraster der zu integrierenden Prozessorelemente
passt.
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Auch wenn in den folgenden Ausführungsbeispielen
Teppich-Anordnungen
beschrieben sind, so ist die Erfindung nicht auf einen Teppich beschränkt, sondern
ist auf jedes zur Flächenbedeckung
bzw. Flächenverkleidung
geeignete Element anwendbar, allgemein auf jede Prozessor-Anordnung,
bei denen einem Prozessor ein Sensor und/oder ein Aktor zugeordnet
ist, angewendet werden.
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Die erfindungsgemäße Textilgewebestruktur mit
integrierter Mikroelektronik, Prozessoreinheiten und/oder Sensoren
und/oder Aktoren, z.B. Anzeigelämpchen,
ist für
sich voll funktionsfähig
und kann unter verschiedenartigen Flächenverkleidungen fixiert werden.
Hierbei sind zum Beispiel nicht leitende Textilien, Bodenbeläge aus Teppichboden,
Parkett, Kunststoff, Gardinen, Rollos, Tapeten, Isoliermatten, Zeltdächer, Verputzschichten,
Estrich und Textilbeton zu nennen. Vorzugsweise wird das Fixieren
mittels Klebens, Laminierens, oder Vulkanisierens durchgeführt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
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In den Figuren sind gleiche oder ähnliche Elemente
mit identischen Bezugszeichen versehen.
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Es zeigen:
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1 eine
Prozessor-Anordnung gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2 eine
Prozessor-Anordnung gemäß dem Stand
der Technik;
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3 einen
vergrößerten Ausschnitt
A der Prozessor-Anordnung
aus 1;
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4 eine
Prozessor-Anordnung gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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5 eine
Skizze eines Prozessorelements, wie es in den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
vorgesehen ist; und
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6 eine
Prozessor-Anordnung gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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7 eine
Prozessor-Anordnung gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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In 1 ist
eine schematische Darstellung einer Textilgewebestruktur 100 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung gezeigt. 3 zeigt einen
vergrößerten Ausschnitt
A der Prozessor-Anordnung aus 1.
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Die erfindungsgemäße Textilgewebestruktur 100 weist
als Grundstruktur ein grobmaschiges Gewebe auf, welches aus nichtleitfähigen Fäden 101 ausgebildet
ist. Ferner weist die Textilgewebestruktur 100 elektrisch
leitfähige
Fäden 102, 107 auf.
Die elektrisch leitfähigen
Fäden 102 dienen
als Erdung für
die in die Textilgewebestruktur 100 zu integrierenden,
im Folgenden näher
erläuterten
Prozessorelemente 103, die im Weiteren noch näher erläutert werden.
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Die elektrisch leitfähigen Fäden 107 werden für die Stromversorgung
der in die Textilgewebestruktur 100 zu integrierenden Prozessorelemente 103 verwendet.
Ferner weist die Textilgewebestruktur 100 leitfähige Fäden 104 auf,
welche zur Datenübertragung
von und zu den zu integrierenden Prozessorelementen 103 verwendet
werden.
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Die elektrisch leitfähigen Fäden 102, 107 und die
leitfähigen
Datenübertragungs-Fäden 104 sind vorzugsweise
im Gewebe in einem quadratischen Raster angeordnet, so dass ein
quadratisches Raster von Kreuzungspunkt-Bereichen 105 (vergleiche 3) in der Textilgewebestruktur 100 gebildet
wird. In den Bereichen, in die die Prozessorelemente 103 eingesetzt
sind, sind die Fäden,
sowohl die elektrisch leitfähigen
Fäden 102, 107,
die leitfähigen
Datenübertragungs-Fäden 104 als
auch die nichtleitfähigen Fäden 101 entfernt,
vorzugsweise ausgeschnitten, wodurch eine Lücke in der Textilgewebestruktur 100 gebildet
wird, in welche die Prozessorelemente 103 eingesetzt werden.
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Nach erfolgtem Einsetzen der Prozessorelemente 103 in
die Textilgewebestruktur 100 werden diese an ihren äußeren Anschlüssen, insbesondere an
ihren Kommunikations-Schnittstellen
mit den jeweiligen Fäden
gekoppelt, insbesondere mit den elektrisch leitfähigen Fäden 102 und 107 zur
Stromversorgung bzw. Erdung des jeweiligen Prozessorelements und
mit den leitfähigen
Datenübertragungs-Fäden 104 zur Übertragung
von Daten zwischen einander benachbart angeordneten Prozessorelementen 103.
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Mittels der elektrisch leitfähigen Fäden 102 und 107 wird
somit das jeweilige Prozessorelement 103 mit elektrischer
Energie versorgt und mittels der Datenübertragungs-Fäden 104 werden
gemäß dem jeweiligen
Kommunikationsprotokoll, das gemäß der Ausgestaltung
der jeweiligen Kommunikationsschnittstelle des Prozessorelements
verwendet wird, elektronische Nachrichten zwischen den Prozessorelementen 103 ausgetauscht.
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In den Kreuzungspunkt-Bereichen 105 ist
in 3 angedeutet, dass
die jeweils einander entsprechenden leitfähigen Fäden 102, 104, 107 miteinander
gekoppelt sind, so dass gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung eine Ringstruktur 106 der Datenleitungen
gebildet wird. Somit ist es ermöglicht,
dass jedes Prozessorelement 103 mit jeweils zwei Kommunikationsschnittstellen
zur Übertragung von
Daten zu allen vier zu dem jeweiligen Prozessorelement 103 benachbart
angeordneten Nachbar-Prozessorelementen 103 Daten übertragen kann.
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Die Kopplung zwischen dem Prozessorelement 103 und
den elektrisch leitfähigen
Fäden 102 und 107 und
leitfähigen
Datenübertragungs-Fäden 104 kann
mittels Kontaktierung durch eine flexible Leiterplatte oder mittels
sogenannten Drahtbondens realisiert sein. Die Prozessorelemente 103 in
der erfindungsgemäßen Textilgewebestruktur 100 sind
verkapselt, so dass der Kopplungsbereich zwischen dem Prozessorelement 103 und
den elektrisch leitfähigen
Fäden 102 und 107 und
den leitfähigen
Datenübertragungs-Fäden 104 isoliert
ist und außerdem ein
mechanisch robuster und wasserfester Schutz gewährleistet ist.
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Eine solche "intelligente" Textilgewebestruktur 100 kann
als Basis oder als Zwischenlage einer Wandverkleidung oder Bodenverkleidung
oder einer anderen Art von technischen Textilien bilden. Sie kann
beispielsweise auch als Schicht einer Textilbetonkonstruktion verwendet
werden. Die Prozessorelemente 103 der Textilgewebestruktur 100 können mit
einer Vielzahl von verschiedenartigen Sensoren und/oder Aktoren
gekoppelt sein, bzw. diese enthalten. So können beispielsweise in dem
Prozessorelement 103 enthalten sein oder an dieses angeschlossen
sein Leuchtdioden, Anzeigelemente oder Displays, um Informationen,
welche zu den Prozesselementen 103 übertragen werden, anzuzeigen.
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Die elektrisch leitfähigen Fäden 102 und 107 sowie
die leitfähigen
Datenübertragungs-Fäden 104 sind
in die Textilgewebestruktur 100 eingewoben. An den vier
Seiten der Textilgewebestruktur 100 sind die leitfähigen Fäden 102, 107 und
die leitfähigen
Datenübertragungs-Fäden 104 mit
Versorgungsleitungen und Datenleitungen (nicht dargestellt) kontaktiert.
Auf der Textilgewebestruktur 100 ist gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ein Teppichboden fixiert.
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Die erfindungsgemäße Textilgewebestruktur 100 mit
integrierter Mikroelektronik, Sensoren und/oder Aktoren, beispielsweise
Anzeigelämpchen, ist
für sich
allein genommen funktionsfähig
und kann unter verschiedenartigen Flächenverkleidungen fixiert werden.
Beispiele solcher Flächenverkleidungen
sind nichtleitende Textilien, Bodenbeläge aus Teppichboden, Parkett,
Kunststoff, Gardinen, Tapeten, Isoliermatten, Zeltdächer, Verputzschichten,
Estrich und Textilbeton. Vorzugsweise erfolgt das Fixieren mittels
Klebens, Laminierens oder Vulkanisierens. Zur Vermeidung von "Elektrosmog" in der Umgebung
von Menschen kann über
die erfindungsgemäße Textilgewebestruktur 100 zu
deren Abschirmung auch ein gleichförmig mit elektrisch leitfähigen Drähten durchzogenes
Textil aufgebracht werden. Dabei ist jedoch zu beachten, dass gegebenenfalls bestimmte
Bereiche, beispielsweise Bereiche über Kapazitätssensoren, nicht von der Abschirmung überdeckt
werden dürfen.
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Die Textilgewebestruktur 100 mit
integrierter Mikroelektronik ist, vorzugsweise an einer Stelle am Rand
der Textilgewebestruktur 100, mit einer zentralen Steuereinheit,
beispielsweise einem einfachen Personal Computer, im Folgenden bezeichnet
als Schnittstellen-Prozessor 108, mittels einer elektrischen
Verbindungsleitung 109 gekoppelt.
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Mit dem Schnittstellen-Prozessor 108 ist
ein Auswertesystem 110, eingerichtet als Personal Computer,
und/oder ein Steuerungssystem 110 gekoppelten, mit dem
elektronische Nachrichten von dem Schnittstellen-Prozessor 108 eingelesen
werden oder in die Prozessor-Anordnung 100 eingeleitet werden,
anders ausgedrückt,
zu den Prozessorelementen 103 der Prozessor-Anordnung 100 gesendet werden,
insbesondere zur Steuerung eines mit dem jeweiligen Prozessor des
Prozessorelements 103 gekoppelten Aktors.
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Gemäß diesen Ausführungsbeispielen
der Erfindung, wie sie im Folgenden noch näher erläutert werden, wird zu Beginn
des Einsatzes der Textilgewebestruktur 100 ein Selbstorganisationsverfahren durchgeführt, welches
gemäß dem in
[1] beschriebenen Verfahren zur Selbstorganisation beschrieben ist.
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Wird die Textilgewebestruktur 100,
welche somit ein Netzwerk aus Prozessorelementen 103 aufweist,
in Betrieb genommen, so beginnt die in [1] beschriebene Lernphase,
nach deren Abschluss jedes Prozessorelement 103 seine exakte
physikalische Position innerhalb der Textilgewebestruktur 100 bezogen
auf eine Referenzposition, vorzugsweise bezogen auf die Position
des Schnittstellen-Prozessors 108, kennt. Ferner werden
automatisch Wege für
Datenströme
durch das Raster hindurch konfiguriert, wodurch Sensorinformationen
oder Displayinformationen um ermittelte defekte Bereiche innerhalb der
Textilgewebestruktur 100 herum geleitet werden können.
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Durch die Selbstorganisation des
Netzwerkes werden defekte Bereiche erkannt und umgangen. Dadurch
ist das Netzwerk aus Prozessorelementen 103 auch selbst
dann noch funktionstüchtig, wenn
die Textilgewebestruktur 100 in eine Form geschnitten ist,
welche durch den jeweiligen Verwendungszweck vorgegeben ist.
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Darüber hinaus bewirkt die erfindungsgemäße Selbstorganisation,
dass kein manueller Installationsaufwand für das Netzwerk der Prozessorelemente 103 innerhalb
der Textilgewebestruktur 100 erforderlich ist.
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Anschaulich sind somit die Prozessorelemente 103 gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel der
Erfindung mit Hilfe lokaler Ringstrukturen miteinander gekoppelt.
Jedes Prozessorelement 103 ist mit genau zwei Ringen 106,
gebildet von Ringleitungen, verbunden, woraus sich ergibt, dass
lediglich zwei Kommunikationsschnittstellen pro Prozessorelement 103 zur
Kommunikation mit vier benachbart angeordneten Nachbar-Prozessorelementen
ausreicht.
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An den Rändern der Textilgewebestruktur 100 ist
die Ringstruktur zu einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung entartet, also
anschaulich zu einem Ring aus zwei Teilnehmern, was jedoch keinen
Einfluss auf den Aufbau der Prozessorelemente
103 hat.
Zum Aufbau der lokalen Ringtopologien können, wie in 3 dargestellt, die bereits vorher vorhandenen leitfähigen Fäden 102, 104, 107 der
Matrixanordnung der Textilgewebestruktur 100 gemäß 1 verwendet werden.
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5 zeigt
ein beispielhaftes Prozessorelement 103, wie es in allen
Ausführungsbeispielen
der Erfindung eingesetzt wird.
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Das Prozessorelement 103 weist
einen Sensor 501 auf sowie einen Prozessor 502,
beispielsweise einen Mikrocontroller XC161 oder XC164 der Firma
Infineon Technologies AG.
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Der Prozessor 502 weist
eine erste Kommunikationsschnittstelle 503 sowie eine zweite
Kommunikationsschnittstelle 504 auf. Der Sensor 501 ist
mit einem Dateneingangsanschluss 505 mittels einer Verbindungsleitung 506 gekoppelt.
Die erste Kommunikationsschnittstelle 503 ist über eine
zweite Verbindungsleitung 507 mit einem ersten Eingangs-/Ausgangs-Schnittstellenanschluss 508 gekoppelt
und die zweite Kommunikationsschnittstelle 504 ist mittels
einer dritten Verbindungsleitung 508 mit einem zweiten
Eingangs-/Ausgangs-Schnittstellenanschluss 510 gekoppelt.
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Der Sensor 501 ist bevorzugt
als Drucksensor eingerichtet, so dass es mittels der Textilgewebestruktur 100 ermöglicht ist,
das Betreten des Teppichs, in welchem die Textilgewebestruktur 100 eingebracht
ist, lokal aufgelöst
festzustellen. Ein solcher Teppich kann bevorzugt in einem Warenhaus
eingesetzt werden, in dem die Attraktivität einzelner Warenstandorte
aufgrund der Verweildauer der Käufer festgestellt
werden soll oder besonders lange Schlangen in einem Kassenbereich
automatisch detektiert werden sollen, um weitere Kassen bei Bedarf zu öffnen. Ein
anderes Anwendungsgebiet für
eine solche Textilgewebestruktur sind Alarmanlagen.
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Die beiden Eingangs-/Ausgangs-Schnittstellenanschlüsse 508 und 510 sind
an einander gegenüberliegenden
Seiten des Prozessorelements 103 angeordnet.
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Weitere Elemente des Prozessorelements 103,
wie beispielsweise Speicherelemente, Takterzeugungseinrichtungen,
Spannungsversorgung, etc. sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in 5 nicht dargestellt, jedoch
in dem Prozessorelement 103 vorgesehen.
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Der Prozessor 502 ist vorzugsweise
derart eingerichtet, dass von dem Sensor 501 erfasste und an
den Prozessor 502 übertragene
Sensordaten vorverarbeitet werden und anschließend über die leitfähigen Fäden zu dem
Schnittstellen-Prozessor 108 übertragen werden.
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Allgemein ist eine beliebige Anzahl
von Schnittstellen-Prozessoren 108 in
der Prozessor-Anordnung, bevorzugt in der Textilgewebestruktur 100 vorgesehen.
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Es ist in diesem Zusammenhang anzumerken,
dass das Prozessorelement 103 alternativ oder zusätzlich zu
dem Sensor 501 einen Aktor, beispielsweise ein bildgebendes
Element, vorzugsweise eine Leuchtdiode, enthalten kann.
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Die Verbindungsstruktur ist in 1 gegenüber der Darstellung in 3 vereinfacht dargestellt, da
dort lediglich die Datenleitungen 102 gezeigt sind.
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Es ist in diesem Zusammenhang anzumerken,
dass einige Verbindungsleitungen, d.h. einige Fäden für die Funktionalität der Textilgewebestruktur 100 optional
sind, so dass sich eine Reihe von konkreten Umsetzungen durch Weglassen
redundanter Verbindungsleitungen in der Textilgewebestruktur 100 ergibt.
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4 zeigt
eine Prozessor-Anordnung, bevorzugt ebenfalls ausgebildet als Textilgewebestruktur 400,
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel der
Erfindung.
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Im Unterschied zu der Textilgewebestruktur 100 gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung sind die Prozessorelemente 103 der Textilgewebestruktur 400 gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung mittels einer zweiwertigen Bus-Kopplungstopologie
unter Verwendung eines Standard-Bus-Kommunikationsprotokolls, wie
beispielsweise unter Verwendung eines SPI-Busses oder eines I2C-Busses oder eines CAN-Busses, miteinander
gekoppelt.
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In diesem Fall sind die Kommunikationsschnittstellen 503, 504 zur
Kommunikation gemäß dem jeweiligen
Bus-Kommunikationsprotokoll
eingerichtet. Dies bedeutet, dass die Kommunikationsschnittstellen 503, 504 beispielsweise
als SPI-Schnittstelle
(bzw. als SSP-Schnittstelle), als I2C-Schnittstelle oder
CAN-Schnittsstelle ausgestaltet sein kann.
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Allgemein ist anzumerken, dass die
Topologie der lokalen Verbindungen zwischen den Prozessorelementen
durch die Art des Anschlusses der Prozessorelemente 103 an
die gitterförmigen
Datenleitungen der Textilgewebestruktur, allgemein der Prozessor-Anordnung,
bestimmt wird.
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Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass die Textilgewebestruktur 400 gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung derart eingerichtet ist, dass die Prozessorelemente
unter Verwendung lokaler Busse und der Benutzung standardisierter
Kommunikationsschnittstellen, welche insbesondere im Mikrocontroller-Bereich
bereits weite Verbreitung gefunden haben, gekoppelt sind.
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Die Verbindungsleitungen der Busse
gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
sind in 4 mit dem Bezugszeichen 401 versehen.
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An jeder Bus-Verbindungsleitung 401 sind vier
bzw. zwei (an dem Rand der Prozessor-Anordnung 400 angeordneten
Prozessorelementen 103) Prozessorelemente 103 angeschlossen,
von denen jedes zwei Kommunikationsschnittstellen 503, 504 aufweist,
wie oben beschrieben.
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6 zeigt
eine Prozessor-Anordnung 600 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Auch gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird ein Bus 601 zur Kopplung der Prozessorelemente 103 vorgesehen.
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Wie 6 zu
entnehmen ist, genügen
unter Verwendung der optionalen Verbindungsleitungen allein zwei
Arten von lokalen Verbindungstopologien zur Verbindung der einander örtlich unmittelbar
benachbart angeordneten Prozessorelemente 103, nämlich Verbindungen
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- a) von dem jeweiligen Prozessorelement 103 aus betrachtet
zwischen der linken und oberen elektrischen Leitung 601 mit
dem ersten Eingangs-/Ausgangs-Schnittstellenanschluss 508 des
Prozessorelements 103 und zwischen der rechten und unteren
Leitung 602 mit dem zweiten Eingangs-/Ausgangs-Schnittstellenanschluss 510 des
Prozessorelements 103 (im Folgenden auch bezeichnet als
erster Typ 605) und
- b) von dem jeweiligen Prozessorelement 103 aus betrachtet
zwischen der rechten und oberen Leitung 603 mit dem ersten
Eingangs-/Ausgangs-Schnittstellenanschluss 508 des Prozessorelements 103 und
zwischen der linken und unteren Leitung 604 mit dem zweiten
Eingangs-/Ausgangs-Schnittstellenanschluss 610 des
Prozessorelements 103 (im Folgenden bezeichnet auch als
zweiter Typ 606).
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Die Verbindungstopologien vom ersten
Typ 605 und vom zweiten Typ 606 sind sowohl vertikal
als auch horizontal abwechselnd zueinander angeordnet, d.h. schachbrettmusterartig.
Die geringe Typenvielfalt von Verbindungen und die Gleichartigkeit
sowie der einfache Aufbau der Prozessorelemente 103 führt zu einer
besonders kostengünstigen
Realisierung der Prozessor-Anordnung 600 gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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7 zeigt
eine Prozessor-Anordnung 700 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Die Prozessorelemente 103 sind
gemäß dem Ausführungsbeispiel
der Erfindung hexagonalförmig
ausgestaltet, weisen jedoch die gleichen Elemente auf, wie oben
beschrieben.
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Zur Kopplung der hexagonalförmigen Prozessorelemente 103 sind
in der Prozessor-Anordnung 700 ebenso eine Ringtopologie,
d.h. einer Verbindung von einander benachbarten Prozessorelementen 103 mittels
einer Ringstruktur 701, wie sie in 7 dargestellt ist, vorgesehen.
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In diesem Dokument sind folgende
Veröffentlichungen
zitiert:
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- [1] WO 03/48953 A2
- [2] C. Fenger, Phillips Semiconductors, Integrated Circuits,
Application note, AN168: The I2C Serial
Bus: Theory and Practical Consideration Using Philips Low-Voltage
PCF84Cxx and PCD33xx μC
Families, December 1988
-
- 100
- Textilgewebestruktur
- 102
- Elektrisch
leitfähiger
Faden
- 103
- Prozessorelement
- 104
- Datenübertragungs-Faden
- 105
- Kreuzungspunkt-Bereich
- 106
- Ring
- 107
- Elektrisch
leitfähiger
Faden
- 108
- Schnittstellen-Prozessor
- 109
- Verbindungsleitung
- 110
- Auswertesystem
- 200
- Prozessoranordnung
- 201
- Prozessorelement
- 202
- Verbindungsleitung
- 203
- Schnittstellen-Prozessor
- 204
- Auswertesystem
- 400
- Textilgewebestruktur
- 401
- Busleitung
- 501
- Sensor
- 502
- Prozessor
- 503
- Erste
Kommunikationsschnittstelle
- 504
- Zweite
Kommunikationsschnittstelle
- 505
- Dateneingangsanschluss
- 506
- Erste
Verbindungsleitung
- 507
- Zweite
Verbindungsleitung
- 508
- Erster
Eingangs-/Ausgangs-Schnittstellenanschluss
- 509
- Dritte
Verbindungsleitung
- 510
- Zweiter
Eingangs-/Ausgangs-Schnittstellenanschluss
- 600
- Prozessoranordnung
- 601
- Erste
Leitung
- 602
- Zweite
Leitung
- 603
- Dritte
Leitung
- 604
- Vierte
Leitung
- 605
- Verbindungstopologie
erster Art
- 606
- Verbindungstopologie
zweiter Art
- 700
- Prozessorelement
- 701
- Ring-Verbindung