Basic FIFO Example - FIFOサンプル¶

BMI270のFIFOバッファとウォーターマーク割り込みを使用した、高性能データ取得のサンプルです。

特徴¶

高速: 1600Hz ODRで連続取得、50Hz出力
効率的: バッチ処理により最小のCPU使用率
低レイテンシ: 20ms間隔で32フレームを一括読み取り
データロス最小: FIFOバッファでデータを保持
実用的: 高速モーショントラッキングに最適

他の方式との比較¶

項目	ポーリング	割り込み	FIFO（本サンプル）
CPU使用率	高い	低い	最小
データレート	〜200Hz	〜200Hz	1600Hz+
レイテンシ	ポーリング間隔	即座	バッチ処理
データロス	高い	中程度	最小
実装難易度	簡単	中程度	やや複雑

動作概要¶

FIFOバッファの仕組み¶

[BMI270 FIFO] (2048バイト)
    ↓ センサーデータが蓄積 (1600Hz)
    ↓ 32フレーム = 416バイトに到達
    ↓ ウォーターマーク割り込み発生
[INT1] GPIO11
    ↓ ESP32-S3割り込み
[タスク起床]
    ↓ FIFO一括読み取り (416バイト)
    ↓ 32フレーム解析
    ↓ 平均値計算
    ↓ 出力 (50Hz)
[タスクスリープ] (20ms待機)

詳細フロー¶

SPI通信初期化
BMI270センサー初期化
センサー設定（1600Hz, ±4g, ±1000°/s）
FIFO設定（ACC+GYR、ヘッダーモード、ストリームモード）
ウォーターマーク設定（416バイト = 32フレーム）
INT1割り込み設定（GPIO11、立ち上がりエッジ）
割り込みマッピング（FIFO watermark → INT1）
ループ開始:
FIFOに32フレーム蓄積（20ms）
ウォーターマーク割り込み発生
タスク起床 → FIFO一括読み取り
32フレーム解析 → 平均値計算 → 出力
タスクスリープ（次の割り込みまで）

ハードウェア接続¶

このサンプルはM5StampFly向けに設定されています：

BMI270	ESP32-S3 GPIO	用途
MOSI	GPIO14	SPI データ出力
MISO	GPIO43	SPI データ入力
SCK	GPIO44	SPI クロック
CS	GPIO46	SPI チップセレクト
INT1	GPIO11	FIFO割り込み

ビルド＆実行¶

# 開発環境のセットアップ
source setup_env.sh

# ターゲット設定（初回のみ）
cd examples/basic_fifo
idf.py set-target esp32s3

# ビルド＆書き込み
idf.py build flash monitor

期待される出力¶

I (XXX) BMI270_BASIC_FIFO: ========================================
I (XXX) BMI270_BASIC_FIFO:  BMI270 Step 4: FIFO Watermark Interrupt
I (XXX) BMI270_BASIC_FIFO: ========================================
I (XXX) BMI270_BASIC_FIFO: Step 1: Initializing SPI bus...
I (XXX) BMI270_BASIC_FIFO: SPI initialized successfully
I (XXX) BMI270_BASIC_FIFO: Step 2: Initializing BMI270...
I (XXX) BMI270_BASIC_FIFO: BMI270 initialized successfully
I (XXX) BMI270_BASIC_FIFO: Step 3: Configuring accelerometer (1600Hz, ±4g)...
I (XXX) BMI270_BASIC_FIFO: Step 4: Configuring gyroscope (1600Hz, ±1000°/s)...
I (XXX) BMI270_BASIC_FIFO: Step 5: Configuring FIFO...
I (XXX) BMI270_BASIC_FIFO: FIFO configured: ACC+GYR enabled, Header mode, Stream mode
I (XXX) BMI270_BASIC_FIFO: Step 7: Configuring GPIO INT1 (GPIO11)...
I (XXX) BMI270_BASIC_FIFO: GPIO INT1 configured successfully
I (XXX) BMI270_BASIC_FIFO: Step 8: Flushing FIFO before enabling interrupt...
I (XXX) BMI270_BASIC_FIFO: Step 9: Creating semaphore for interrupt notification...
I (XXX) BMI270_BASIC_FIFO: Step 10: Mapping FIFO watermark interrupt to INT1...
I (XXX) BMI270_BASIC_FIFO: Step 11: Creating FIFO read task...
I (XXX) BMI270_BASIC_FIFO: ========================================
I (XXX) BMI270_BASIC_FIFO:  Interrupt-driven FIFO read active
I (XXX) BMI270_BASIC_FIFO:  Watermark: 416 bytes (32 frames)
I (XXX) BMI270_BASIC_FIFO: ========================================
I (XXX) BMI270_BASIC_FIFO: Press 't' or 'o' to toggle Teleplot output ON/OFF
I (XXX) BMI270_BASIC_FIFO: Teleplot output: ENABLED
>gyr_x:-0.001
>gyr_y:0.002
>gyr_z:-0.001
>acc_x:0.012
>acc_y:-0.024
>acc_z:0.995

FIFO設定詳細¶

ウォーターマーク設定¶

#define FIFO_WATERMARK_BYTES 416  // 32フレーム × 13バイト/フレーム

// ウォーターマークレジスタに書き込み
uint16_t watermark = FIFO_WATERMARK_BYTES;
uint8_t wtm_lsb = watermark & 0xFF;        // 0xA0
uint8_t wtm_msb = (watermark >> 8) & 0x07; // 0x01
bmi270_write_register(&g_dev, BMI270_REG_FIFO_WTM_0, wtm_lsb);
bmi270_write_register(&g_dev, BMI270_REG_FIFO_WTM_1, wtm_msb);

なぜ416バイト（32フレーム）？ - FIFO総容量: 2048バイト - 1フレーム: 13バイト（ヘッダー1 + GYR6 + ACC6） - 最大格納: 157フレーム - ウォーターマーク: 32フレーム = 1600Hz ÷ 32 = 50Hz出力 - 割り込み間隔: 20ms（1秒に50回）

FIFOフレームフォーマット¶

ヘッダーモードの場合、各フレームは以下の構造：

[Header: 1バイト] [GYR_X_L, GYR_X_H: 2バイト] [GYR_Y_L, GYR_Y_H: 2バイト]
[GYR_Z_L, GYR_Z_H: 2バイト] [ACC_X_L, ACC_X_H: 2バイト] [ACC_Y_L, ACC_Y_H: 2バイト]
[ACC_Z_L, ACC_Z_H: 2バイト]

合計: 13バイト

ヘッダー値: - 0x8C: 正常なACC+GYRフレーム - 0x40: スキップフレーム（データロス） - 0x48: コンフィグ変更フレーム

パラメータ調整¶

出力周波数を変更¶

100Hz出力にする場合（ウォーターマーク=16フレーム）：

#define FIFO_WATERMARK_BYTES 208  // 16フレーム × 13バイト = 208バイト
// 1600Hz ÷ 16フレーム = 100Hz出力、10ms間隔

25Hz出力にする場合（ウォーターマーク=64フレーム）：

#define FIFO_WATERMARK_BYTES 832  // 64フレーム × 13バイト = 832バイト
// 1600Hz ÷ 64フレーム = 25Hz出力、40ms間隔

センサーODRを変更¶

さらに高速化（3200Hz）：

bmi270_set_accel_config(&g_dev, BMI270_ACC_ODR_3200HZ, BMI270_FILTER_PERFORMANCE);
bmi270_set_gyro_config(&g_dev, BMI270_GYR_ODR_3200HZ, BMI270_FILTER_PERFORMANCE);

#define FIFO_WATERMARK_BYTES 416  // 32フレーム
// 3200Hz ÷ 32フレーム = 100Hz出力、10ms間隔

Teleplot出力をオフ/オン切り替え¶

シリアルモニタでtまたはoキーを押すとTeleplot出力を切り替えできます：

// コード内での制御
g_teleplot_enabled = false;  // 無効化
g_teleplot_enabled = true;   // 有効化

データロス検出と対策¶

Skip Frame検出¶

FIFOバッファがオーバーフローすると0x40（スキップフレーム）が記録されます：

if (frame[0] == FIFO_HEADER_SKIP) {
    ESP_LOGW(TAG, "Data loss detected!");
    skip_detected = true;
    g_skip_frames++;
}

自動復旧¶

スキップフレーム検出時、FIFOを自動フラッシュして復旧：

if (skip_detected) {
    bmi270_write_register(&g_dev, BMI270_REG_CMD, BMI270_CMD_FIFO_FLUSH);
    ESP_LOGW(TAG, "FIFO flushed");
}

データロスを防ぐ方法¶

ウォーターマークを小さく設定（読み取り頻度を上げる）

タスク優先度を上げる

xTaskCreate(fifo_read_task, "fifo_read", 4096, NULL, 10, NULL);  // 優先度10

割り込み処理を高速化（SPI通信を最小限に）

CPU使用率の最適化¶

FIFOバッチ処理の利点：

1フレームずつ読み取る場合: 1600回/秒のSPI通信
32フレームまとめて読み取る場合: 50回/秒のSPI通信
CPU負荷削減: 約32倍の効率化

トラブルシューティング¶

"FIFO flushed" が頻繁に出る¶

データロスが発生しています：

ウォーターマークを下げる

#define FIFO_WATERMARK_BYTES 208  // 32 → 16フレーム

タスク優先度を上げる

xTaskCreate(fifo_read_task, "fifo_read", 4096, NULL, 10, NULL);

printf出力を減らす

#define OUTPUT_DECIMATION 2  // 1回おきに出力

割り込みが発生しない¶

INT1ピン設定を確認

uint8_t int1_ctrl;
bmi270_read_register(&g_dev, BMI270_REG_INT1_IO_CTRL, &int1_ctrl);
ESP_LOGI(TAG, "INT1_IO_CTRL: 0x%02X", int1_ctrl);  // 0x0Aのはず

割り込みマッピングを確認

uint8_t int_map;
bmi270_read_register(&g_dev, BMI270_REG_INT_MAP_DATA, &int_map);
ESP_LOGI(TAG, "INT_MAP_DATA: 0x%02X", int_map);  // 0x02のはず

"Unknown header: 0xXX"¶

FIFOフレーム同期エラー：

FIFOをフラッシュすると自動的に復旧
頻繁に発生する場合、SPI配線を確認

次のステップ¶

さらに高度な応用：

development/stage5_fifo/ - FIFO機能の段階的学習
カスタムフィルタリング（移動平均、ローパスフィルタ）の実装
センサーフュージョン（ジャイロ+加速度）の実装

API仕様¶

詳細なAPI仕様はdocs/API.mdを参照してください。