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身体区域网络的能量收集解决方案

电子设计 ? 2019-01-21 09:54 ? 次阅读

随着低功耗个人电子设备的普及,对人体动能,体温,外部射频甚至内部生化源清除能量的兴趣不断增加。设计由生物源驱动的合适装置在选择合适的能量换能器和提取最大能量方面提出了重大挑战。在创建这些设计时,工程师可以利用制造商的传感器和节能IC,包括CUI,Cymbet,Linear Technology,Measurement Specialties和Mide Technology等。

体域网络

对于消费者而言,体域网络的承诺(BAN,图1)提供了健康综合视图;对于设备制造商而言,BAN代表了新类设备的重要机遇。与此同时,众多嵌入式设备的成功部署取决于它们能够在没有充电的情况下一次运行数月,甚至根本不需要再充电或更换电池。

身体区域网络的能量收集解决方案

图1:在体域网(BAN)中,由能量收集驱动的嵌入式传感器监测关键的健康和健身因素,为医疗服务提供者提供广泛而深刻的健康状况(图片由IMEC提供)。

因此,对扩展操作的需求促使人们越来越关注捕获正常人类活动(如行走和呼吸)产生的未使用电力。除了这些以消费者为导向的驱动因素之外,对能源采集的兴趣在医疗领域迅速增长。消除或阻止电池更换的能力还有助于确保其他关键应用(如血糖监测仪和ECG监护仪)的始终在线操作和患者依从性。

能量收集解决方案还可以直接促进患者安全。由环境能量驱动的可植入装置不仅减小了植入患者体内的包装的尺寸,而且还降低了与电池更换相关的成本和风险,其目前必须每6到10年进行一次外科手术。通过无电池操作提供的植入式心脏起搏器的尺寸减小也使得能够实现更具创新性的医疗解决方案,例如消除心脏探测器以及将起搏器附接到左心室的能力,这尤其易于传统起搏器的风险。

事实上,心脏起搏器和心肺装置通常非常适合能量采集,因为可用的环境能源范围包括心肌运动,血流量和温差。除了设计用于收获与心肌收缩相关的动能的装置外,其他解决方案也希望利用血流的能量。退伍军人事务部开发了一种动脉袖套能量采集器,旨在为各种植入设备提供动力,以持续监测疾病,心脏功能,动脉瘤和糖尿病。使用压电传感器,收割机环绕动脉并通过动脉壁的膨胀和收缩产生动力。

虽然生物能源采集导致了比消费者或工业应用中更多的新颖解决方案,但这种收割机的性质遵循一种熟悉的模式。与传统收割机一样,生物资源能量收集设计将环境能源电源与MCU和无线电,或支持预期应用所需的其他通信子系统相结合(图2)。

身体区域网络的能量收集解决方案

图2:用于体域网(BAN)应用的典型传感器将生物源能量采集器(顶行)与应用电路(底行)结合,用于采集,处理数据并将数据传输到其他BAN设备(由德州仪器提供) )。

电力需求和资源

除了更复杂的医疗应用,如心脏起搏器或心脏同步器,旨在从生物源获取能量的设备通常具有非常低的功率要求。简单的心率监测器可能只需要支持100个样本/秒。在10位分辨率下,1 kbps数据速率将允许使用超低发射器功率将数据传输到主机或本地数据集中器。如果发射机功率以近距离通信所需的最低水平运行,则这种设备的总功耗可能只有几微瓦。

对于生物能源采集,能量传感器将包括机械传感器,温度传感器,甚至燃料电池设计。此外,工程师正在使用磁耦合谐振器用于无线电源,能够为植入的能量存储设备(如薄膜电池)充电。

在可用的资源中,运动或振动形式的动能通常是最通用和普遍存在的环境能源。研究表明,一只脚的脚跟在坚硬的表面上可以获得高达1 W的能量。其他研究发现,即使是由人类心跳引起的运动也可能产生10微瓦的功率,远高于起搏器的标称功率要求。

在动力学采集应用中,合适的传感器包括压电设备,如Mide Technology Volture系列中的V22BL,或Measurement Specialties LDT系列中的LDTO-028K。使用这些装置,由于肌肉运动导致的相对较小的偏转可以产生显着的电压输出(图3)。压电器件在其谐振频率下产生最大能量输出,工程师可以通过在典型压电器件的悬臂上增加质量来改变。诸如Measurement Specialties LDTM-028K之类的可用设备配备有用于修改谐振频率的小型可移动质量元件。

身体区域网络的能量收集解决方案

图3:诸如Measurement Specialties LDTO-028K之类的压电器件产生显着的电压输出,其中压电膜的偏转相对较小,通常夹在涂层之间(Courtesy of Measurement Specialties)。

工程师还可以通过利用塞贝克效应来获取大量能量,使用热电传感器从人类表皮和周围空气之间的温度梯度产生能量。 CUI CP60系列中的CP60240等设备即使在很小的温差和负载下也能产生毫瓦的功率(图4)。

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图4:诸如CUI CP60240之类的热电装置可以利用人体与周围环境之间的温度梯度,在典型的能量收集应用的小负载下产生毫瓦功率(CUI提供)。

工程师可能很快就会发现从另一个来源获取环境能量的可用性,由体内葡萄糖或其他糖类驱动的微型燃料电池。葡萄糖燃料电池通常在两组中的一组中发现,酶催化和由非生物材料催化的那些。在任何一种情况下,装置都将葡萄糖氧化成葡萄糖酸,导致电子对的释放。虽然基于酶的燃料电池可能需要最终更换酶催化剂,但科学家已经创造了两种类型的燃料电池,其微波持续功率输出。

RF感应和超声波

虽然动能和热能收集代表了为BAN设备供电的最可能的来源,但公司可以采用更直接的方法为嵌入式应用中内置的存储设备充电。使用RF感应,工程师可以为包括植入设备在内的BAN设备充电。此外,即使对于使用与RFID标记和通信相同的方法的植入设备,RF感应的使用也将实现双向数据通信。

与人类一起使用时,RF感应娱乐城白菜论坛需要仔细考虑暴露于RF能量的组织的特定吸收率(SAR)。对于1g或10g组织,以瓦/千克为单位测量的SAR值根据以下等式与偶然电场直接相关:

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其中σ和ρ是电导率并且所涉及组织的密度,E | 2是入射电场的范数。

最大SAR值取决于国家法律,并取决于频率范围。 IEEE指南规定,对于任何10克手,腕,脚和脚踝组织,一般公众暴露的SAR限值为4 W/kg,对于任何1 g任何其他组织,均为1.6 W/kg。国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)规定,对于任何10克头部和躯干,一般公众暴露的SAR限值为2 W/kg,对于任何10 g肢体,为4 W/kg。

超声波也被用于将能量转移到植入设备。虽然功率传输效率低,但这种方法可以为植入设备提供毫瓦功率。使用低于1MHz的相对短的超声频率突发避免了局部加热效应,其形成高频治疗超声治疗的基础,同时提供足够的能量来为能量存储装置充电。

最大化输出

无论能源如何,从生物源获取有效能量的关键仍然是最大化传感器输出的关键。压电和热电传感器都是恒阻抗器件,反映了特有的电流 - 电压曲线(图5)。除了这种相似性之外,压电器件通常表现出10kΩ至100kΩ范围内的输出阻抗,其输出取决于其谐振频率,如前所述。另一方面,热电发电机表现出低得多的输出阻抗,通常小于500Ω。

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图5:尽管在电气特性方面表现出显着差异,但压电和热电传感器是具有类似I-V曲线的恒阻抗装置(由Cymbet提供)。

对于这些设备,最大化功率输出意味着将传感器上的负载保持在其最大功率点(MPP)。在远离MPP的负载下操作导致来自换能器的功率显着降低,并且可用于直接对本地能量设备或负载充电。对于稳定的环境,MPP通常位于传感器开路电压值的一半。

更多异国能源如葡萄糖燃料电池可以根据成分和操作条件呈现出截然不同的曲线,类似于恒定阻抗源,在某些情况下具有钟形功率曲线并且类似于非线性源,例如具有高度非线性功率曲线的光伏电池。

在实践中,MPP是一种动态特性,取决于包括温度在内的运行条件。为了最大限度地提取功率,工程师可以使用专门用于能量采集应用的可用设备。诸如Cymbet CBC915能量处理器之类的设备提供了用于最大功率点跟踪(MPPT)的复杂算法,可持续评估传感器能量输出,并在输出电平开始下降时自动搜索新的MPP。 CBC915设计为能量收集的单芯片解决方案,它将MPPT功能与充电管理功能相结合,用于充电和保护薄膜存储设备,如Cymbet CBC050和Cymbet EnerChip™系列的其他成员。

虽然CBC915等设备支持动态MPPT,但其他设备允许工程师使用电阻器将传感器输出电压编程为固定电平。凌力尔特公司的LTC3105 DC/DC转换器专为热能收集应用而设计,允许工程师使用单个电阻器对MPP进行编程。反过来,器件动态调节平均电感电流,以防止输入电压降至低于MPPC阈值。

Linear还提供用于压电能量收集的LTC3588-1,集成了全波桥式整流器,能够在压电换能器的各种机械偏移范围内提取功率(图6)。 LTC3588-1专为直接与压电器件接口而设计,只需少量外部元件即可构建完整的电源。该器件对电压波形进行整流,将收集的能量存储在外部电容CSTORAGE上,并向负载提供稳压输出。

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图6:专为压电能量采集而设计,凌力尔特公司的LTC3588-1具有全波桥式整流器和高效率DC/DC转换器,只需少量外部元件即可完成压电能量采集电源(由Linear Technology提供) )。

摘要随着人们对体域网设备的兴趣和需求的增长,电子产品制造商面临着减少或消除电池更换的同样不断增长的需求,同时确保日益复杂的应用的长期运行。为了满足这些相互矛盾的要求,系统设计人员可以利用与日常活动相关的各种动能和热能源。通过仔细关注传感器特性,工程师可以从这些环境源中提取足够的功率,为各种面向BAN的无电池设备供电。

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QRD1113 反射对象传感器

QRE1113 反射对象传感器

信息QRE1113 光电晶体管输出 无接触表面感测 微型封装 时尚设计: 鸥翼式 两种引脚形式选择: 通孔(QRE1113)SMT鸥翼式(QRE1113GR) 两种封装选择: 管状(QRE1113)卷带和卷盘(QRE1113GR)
发表于 04-18 20:16 ? 9次 阅读
QRE1113 反射对象传感器

QRD1114 反射对象传感器

信息QRD1113/14反射对象传感器由一个红外发光二极管和一个NPN硅光敏达林顿放大器并排安装在一个黑色塑料外壳中构成。 轴上的发射器辐射和探测器响应都垂直于QRD1113/14的表面。 只有当探测器的视场中出现反射物或反射表面,二极管发出辐射时,光敏达林顿放大器才会作出响应。 光电晶体管输出 无接触表面感测 未聚焦感测扩散表面 紧凑封装 传感器上的日光过滤器
发表于 04-18 20:15 ? 7次 阅读
QRD1114 反射对象传感器

XTR105-DIE 具有传感器激励和线性化的 4-20mA 电流发送器

信息描述 XTR105 是一款带有两个精准电流源的单片 4-20mV,2 线制电流发送器。 它提供针对铂 RTD 温度传感器和桥、仪表放大器、和一个单集成电路上的电流输出电路的完整电流激励。多用途线性化电流提供一个对 RTD 的第二阶修正,通常可以实现一个 40:1 的线性改进。 仪器放大器增益可针对宽范围的温度或者压力测量进行配置。 整个电流发送器的总体未调整误差足够低以允许在未经调整的情况下用于很多应用。 这包括零输出电流漂移,和非线性。 XTR105 在环路电源电压上运行。特性 低未调整误差 两个精准电流源 线性化 2 线制或者 3 线制远程电阻温度检测器 (RTD) 操作 低偏移漂移 低输出电流噪声 高电源抑制 (PSR) 高共模抑制 (CMR) 宽电源电压...
发表于 04-18 20:10 ? 15次 阅读
XTR105-DIE 具有传感器激励和线性化的 4-20mA 电流发送器

通过霍尔传感器怎样测电机输出得脉冲
发表于 04-18 20:04 ? 49次 阅读

AC1361 CJC传感器

信息产品分类接口和隔离 IOS子系统Additional 6B Resources: Accessories, Backplanes and Power SuppliesSales and Service: North America (SCS Embedded Tech), Rest of World
发表于 04-18 19:15 ? 12次 阅读
AC1361 CJC传感器

AC1345 带CJC传感器的独立模块安装套件

信息产品分类接口和隔离 IOS子系统Additional 3B Resources: Accessories, Backplanes and Power SuppliesSales and Service: North America (SCS Embedded Tech), Rest of WorldDownload a PDF copy of this user manual
发表于 04-18 19:15 ? 10次 阅读
AC1345 带CJC传感器的独立模块安装套件

如何使用可靠信标和节点度估计距离进行无线传感器网络定位算法的说明

针对经典的DV-Hop、Amorphous等免测距无线传感器网络( WSN)定位算法信标节点选择不可....
发表于 04-18 17:30 ? 31次 阅读
如何使用可靠信标和节点度估计距离进行无线传感器网络定位算法的说明

如何使用51单片机进行数字气压计的设计资料说明

本设计是基于MPX4115的数字气压计,硬件处理电路为大气压传感器模拟信号的采集、转换、处理和显示,....
发表于 04-18 17:27 ? 8次 阅读
如何使用51单片机进行数字气压计的设计资料说明

BLDC马达直流无刷电机驱动器工作原理及视频分享

从马达的反电动势波形来区别,可以分为正弦波和方波。这个主要是指反电动势,这个是由磁钢的充磁方向决定的....
的头像 Elecfans学院推荐 发表于 04-18 14:09 ? 607次 阅读
BLDC马达直流无刷电机驱动器工作原理及视频分享

岁月的锤炼 圆口接口的键盘,2003年的 有人问这个键盘难道没有擦过吗?不是的,是擦不掉的岁月痕迹。如果有注意到细节...
发表于 04-18 14:03 ? 472次 阅读

详解Melexis嵌入式电机驱动器IC产品系列

基于Melexis高度集成的设计理念,将无刷直流电动机和直流电动机操作所必备的功能模块全部整合到单一....
发表于 04-18 12:31 ? 79次 阅读
详解Melexis嵌入式电机驱动器IC产品系列

伊玛:专注核心娱乐城白菜论坛,找准定位做有特色的传感器

据了解,基于客户的需求,伊玛从未停止过研发的步伐。伊玛拥有专业的研发团队,围绕自身核心娱乐城白菜论坛展开,不断....
的头像 工控头条 发表于 04-18 11:18 ? 439次 阅读
伊玛:专注核心娱乐城白菜论坛,找准定位做有特色的传感器

传感器作为智慧城市的“桥梁”,即将迎来产业大爆发

自从“十三五”规划发布后,智慧城市及物联网的建设计划再次将传感器推上了风口浪尖。
的头像 物联网智慧城市D1net 发表于 04-18 09:59 ? 359次 阅读
传感器作为智慧城市的“桥梁”,即将迎来产业大爆发

BL612数字智能热释电红外传感器的数据手册免费下载

BL612是将数字智能控制电路与人体探测敏感元都集成在电磁屏蔽罩内的热释电红外传感器。人体探测敏感元....
发表于 04-18 08:00 ? 26次 阅读
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空调温度传感器NTC的工作原理和使用存在的故障等资料说明

空调温度传感器为负温度系数热敏电阻,简称NTC,其阻值随温度升高而降低,随温度降低而增大。25℃时的....
发表于 04-18 08:00 ? 37次 阅读
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IT8511高度集成的嵌入式控制器的用户手册免费下载

IT8511是一款高度集成的嵌入式控制器,具有适合移动系统应用的系统功能。IT8511直接连接到LP....
发表于 04-18 08:00 ? 27次 阅读
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ZigBee简介和学习方法的详细资料说明

近年来,由于无线接入娱乐城白菜论坛的需求日益增大,无线通信和无线网络均呈现出指数增加的趋势。这有力的推动力无线....
发表于 04-18 08:00 ? 54次 阅读
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如何使用CC2530单片机进行多点温度采集系统的设计实验说明

多点温度采集有利于分析整个设备或系统的温度,改善被控温度的娱乐城白菜论坛指 标,提高产品的质量和数量,因而,....
发表于 04-18 08:00 ? 52次 阅读
如何使用CC2530单片机进行多点温度采集系统的设计实验说明

大家好, 我一直在研究H3LIS331DL传感器。我遗漏了H3LIS331DL数据表中的一个澄清。 在数据表H3LIS331DL的第...
发表于 04-18 06:20 ? 47次 阅读

MAX22513方案尺寸缩小3倍、功耗降低4倍,是工业4.0应用的理想选择

随着工业4.0系统的智能化程度越来越高,传感器和执行器必须不断减小尺寸、提升可靠性、降低功耗,以更轻....
的头像 美信半导体 发表于 04-17 18:11 ? 850次 阅读
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US-100超声波传感器的电气参数和进行测距的代码免费下载

本文档的主要内容详细介绍的设计US-100超声波传感器的电气参数和进行测距的代码免费下载。
发表于 04-17 17:28 ? 33次 阅读
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ADF7020无线传输模块的介绍和单片机与ADF7020接线步骤详细说明

ADF7020是一款低功耗、低中频收发器,在免执照ISM频段433 MHz、868 MHz和915 ....
发表于 04-17 17:27 ? 28次 阅读
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BMP280气压温度传感器的使用说明和单片机程序免费下载使用

最近实习中一个项目要用到多种传感器,其中就包括BMP280模块,但是发现网上有用的资料非常少,只好从....
发表于 04-17 17:27 ? 41次 阅读
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为无人机装上“鹰爪”,通过机载的传感器自动寻找和着陆在休息地点

无人机最令人沮丧的地方就是他们的飞行时间太有限了!在过去几年中,虽然电池娱乐城白菜论坛有了很大的改进,但对无人....
的头像 无人机网 发表于 04-17 17:16 ? 393次 阅读
为无人机装上“鹰爪”,通过机载的传感器自动寻找和着陆在休息地点

村田推出支持CAT.M1/NB-IoT的超小等级的LPWA模块

网络基础设施的普及使IoT不断发展,各种物物得以衔接。诸如桥梁、高架公路、隧道等已陈旧的基础设施的维....
的头像 村田中文娱乐城白菜论坛社区 发表于 04-17 16:43 ? 1159次 阅读
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M系列多传感器红外热像系统助力消防救援解决方案

FLIR M200装载了FLIR最新的Boson? 高性能热像仪核心,它具有一个集成的多核视频处理器....
发表于 04-17 16:24 ? 68次 阅读
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AMD锐龙嵌入式R1000 SoC为嵌入式行业带来了全新性能标杆

2019年4月16日,在台湾嵌入式论坛上,AMD(纳斯达克:AMD))宣布进一步壮大其锐龙嵌入式产品....
发表于 04-17 16:15 ? 87次 阅读
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一个嵌入式软件工程师的角度如何看波音737MAX8坠机事件

此前有媒体批评波音MCAS软件设计过于简单,存在单传感器缺陷,并把锅甩给印度软件外包公司。小编当时对....
的头像 联动原素 发表于 04-17 16:13 ? 310次 阅读
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霍尔元件其工作原理, 产品特性及其典型应用

这种现象的产生,是因为通电半导体片中的载流子在磁场产生的洛仑兹力的作用下,分别向片子横向两侧偏转和积....
的头像 EDA365 发表于 04-17 16:07 ? 351次 阅读
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娱乐城白菜论坛驱动应用落地 六位大咖热议行业新机遇

传感器、加速计算、存储以及物联网、人工智能和工业4.0等等话题是当下半导体产业的关注焦点。日前,在第....
的头像 坚白 发表于 04-17 15:57 ? 2146次 阅读
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EFM32 Gecko平台助力 Notion打造第三代 IoT传感器

近来,我们有幸与Notion公司联合创始人兼首席娱乐城白菜论坛长Ryan Margoles先生讨论其基于Sil....
的头像 SiliconLabs 发表于 04-17 15:31 ? 298次 阅读
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基于FPGA的控制和运算电路的设计

液体密度是许多工业中的重要参数,它可以直接参与生产过程中的控制和决策,因此对液体密度进行快速而准确的....
发表于 04-17 15:09 ? 70次 阅读
基于FPGA的控制和运算电路的设计

研究机构PrivCo梳理出了该领域值得关注的19家初创公司

纵观2018年,从硬件到软件,从自动驾驶配送服务到自动驾驶卡车运输,众多自动驾驶初创公司正在为我们勾....
的头像 人工智能学家 发表于 04-17 10:41 ? 439次 阅读
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新型聚合物热电材料,制造超灵敏、柔性热传感器

据报道,瑞典林雪平大学(Linkoping University)有机电子实验室的科学家开发出了一种....
的头像 MEMS 发表于 04-16 18:09 ? 770次 阅读
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智能楼宇的全球市场规模将在2022年增长至317.5亿美元

随着人们逐渐希望在自己的家居、汽车和工作场所享受到智能娱乐城白菜论坛带来的便利,物业管理公司和建筑物的规划师们....
的头像 Molex连接器 发表于 04-16 17:31 ? 288次 阅读
智能楼宇的全球市场规模将在2022年增长至317.5亿美元

TE Connectivity的振动传感器娱乐城白菜论坛比较

TE Connectivity (TE)是全球最大的传感器公司之一,其创新的传感器解决方案可帮助客户....
发表于 04-16 17:26 ? 75次 阅读
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GE宣布完成Current的出售事项

据悉,Current的产品组合涵盖LED和传统照明解决方案,同时还包括广泛多样的智能控制、传感器和软....
的头像 高工LED 发表于 04-16 16:30 ? 862次 阅读
GE宣布完成Current的出售事项

光纤光栅定义及分类!光纤光栅传感器的工作原理

对于一定长度的均匀光纤Bragg光栅,其反射谱中主峰的两侧伴随有一系列的侧峰,一般称这些侧峰为光栅的....
的头像 传感器娱乐城白菜论坛 发表于 04-16 14:44 ? 260次 阅读
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热释电传感器的原理与应用!一种非常有应用潜力的传感器

热释电传感器利用的正是热释电效应,这是一种对温度敏感的传感器。它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成,在元....
的头像 传感器娱乐城白菜论坛 发表于 04-16 13:55 ? 343次 阅读
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博世半导体又推出了其最新的产品SMI230

博世最新的SMI230产品能够精确测量车辆的偏航角速度以及加速度,帮助车辆的导航系统持续计算车辆运动....
的头像 MEMS 发表于 04-16 11:45 ? 754次 阅读
博世半导体又推出了其最新的产品SMI230

用于病原体特异性血清抗体反应的超灵敏电容式微丝传感器

研究人员开发出一款新型传感器,可以通过测量极少量的抗体,即血液中发现的抵抗疾病抗毒素,获得患病信息。
的头像 MEMS 发表于 04-16 11:21 ? 308次 阅读
用于病原体特异性血清抗体反应的超灵敏电容式微丝传感器

Polar最新的心率传感器OH1+发布,能够捕捉到大约200个小时的心率活动

有了OH1+光学心率传感器,无论你是在陆地上锻炼,还是在水中游泳,你都可以随时监测自己的心率。
的头像 MEMS 发表于 04-16 11:16 ? 270次 阅读
Polar最新的心率传感器OH1+发布,能够捕捉到大约200个小时的心率活动

嵌入式设计须知: MCU如何在扩展的SDRAM上运行程序?

在使用MCU的嵌入式系统设计中,当程序或者数据内存占用太大而无法放入片上闪存或SRAM时,开发者通常....
的头像 嵌入式资讯精选 发表于 04-16 11:14 ? 282次 阅读
嵌入式设计须知: MCU如何在扩展的SDRAM上运行程序?

轮式移动机器人控制系统设计的设计论文资料免费下载

 随着计算机、控制理论、人工智能理论、传感器等娱乐城白菜论坛的不断成熟和发展,移动机器人研究已经发展到-一个崭....
发表于 04-16 08:00 ? 33次 阅读
轮式移动机器人控制系统设计的设计论文资料免费下载