AN-1025: デバイセズのデジタル加速度センサーに内蔵された先入れ、先出し(FIFO)バッファの利用 (Rev. 0) PDF

AN-1025
アプリケーション・ノート
アナログ・デバイセズのデジタル加速度センサーに内蔵された
先入れ、先出し(FIFO)バッファの利用
Christopher J. Fisher、Tomoaki Tsuzuki、James Lee 共著
はじめに
最新型の製品の多くでユーザーインターフェース、動作認識や低
消費電力に対する要求が高まっている中で、幅広いアプリケー
ションに慣性センサーの採用が急速に進んでいます。例えば、加
速度センサーを使い製品の動きをセンシングして特定の機能を
オフにすることで、製品に動きがない間の消費電力を節減するこ
とができます。また、タップの振動を検出して入力軸とその方向
を識別することにより、ユーザーに、新しいユーザーインター
フェースを提供することが可能になります。
アナログ・デバイセズでは、単軸、2 軸、3 軸タイプのアナログ
およびデジタルを含めた広範囲の各種加速度センサーを提供し
て い ます 。超低 消 費電 力、3 軸 デジ タル加 速 度セ ンサー の
ADXL345 は、
柔軟性に優れた FIFO バッファを内蔵しています。
この FIFO を利用することで、アプリケーションの精度を向上さ
せることができ、さらなる低消費電力化によってシステム性能が
高まると同時に、加速度センサーからの割込みを減らすことでホ
スト・プロセッサの負担を軽減させることができます。
このアプリケーション・ノートでは、アナログ・デバイセズのデ
ジタル加速度センサーについて解説し、ADXL345 を中心に FIFO
とその動作モードを説明します。各モードの構成例を紹介すると
ともに、FIFO を利用した信号処理と低消費電力化の方法の例に
ついてもいくつか説明します。
Rev. 0
社／〒105-6891 東京都港区海岸 1-16-1 ニューピア竹芝サウスタワービル
電話 03（5402）8200
大阪営業所／〒532-0003 大阪府大阪市淀川区宮原 3-5-36 新大阪トラストタワー
電話 06（6350）6868
本
AN-1025
目次
はじめに............................................................................................. 1
FIFO の設定........................................................................................ 7
FIFO の説明 ....................................................................................... 3
FIFO モード ................................................................................... 7
データ・レジスタからのデータの読出し.................................. 4
FIFO のアプリケーション例 ...........................................................11
FIFO からのデータの読出し........................................................ 5
省電力化........................................................................................11
通信速度、データレート、終了時間 ......................................... 6
信号処理およびフィルタリング ............................................... 12
FIFO ステータスのモニタリング................................................ 6
Rev. 0
－ 2/12 －
AN-1025
FIFOの説明
FIFO は、最大で 32 のデータ・サンプル・セットを保持すること
が可能です。各データ・サンプル・セットは、x 軸サンプル、y
軸サンプル、z 軸サンプルで構成されます。x 軸サンプルは、通
常 DATAX0 と DATAX1 の各レジスタに保持されるデータであり、
y 軸サンプルと z 軸サンプルはそれぞれ該当するレジスタに保持
されるデータです。これに加えて、加速度センサーの出力フィル
タにも同様にもう 1 つのデータ・サンプル・セットが保持され、
FIFO と合わせて合計 33 のデータ・サンプル・セットを保持する
ことが可能です。FIFO の構成を図 1 に示します。
タ・レジスタからの読出し動作時には、FIFO[0]のデータが取得
され、FIFO から取り出されるので、残りのデータ・サンプル・
セットはデータ・レジスタに 1 レベル近い場所にシフトされます。
つまり、FIFO[0]の読出し終了後に FIFO[1]のサンプルが FIFO[0]
にシフトし、FIFO[2]のサンプルが FIFO[1]にシフトするという動
作です。読出し動作の後で FIFO[0]にシフト可能な新しいデー
タ・サンプル・セットが存在しない場合には、出力フィルタで新
しいデータが有効になるまで古いデータが保持され、新しいデー
タが出力フィルタから出力された時点で FIFO[0]のサンプルを置
き換えます。FIFO が満杯（つまり 32 レベルすべてにデータ・サ
ンプル・セットが格納されている場合）時の出力フィルタの動作
は、FIFO の動作モードに応じて異なります。
X-AXIS
Y-AXIS
Z-AXIS
OUTPUT FILTER
DATAX0
DATAX1
DATAY0
DATAY1
DATAZ0
DATAZ1
FIFO[31]
DATAX0[31]
DATAX1[31]
DATAY0[31]
DATAY1[31]
DATAZ0[31]
DATAZ1[31]
FIFO[30]
.
.
.
DATAX0[30]
.
.
.
DATAX1[30]
.
.
.
DATAY0[30]
.
.
.
DATAY1[30]
.
.
.
DATAZ0[30]
.
.
.
DATAZ1[30]
.
.
.
FIFO[2]
DATAX0[2]
DATAX1[2]
DATAY0[2]
DATAY1[2]
DATAZ0[2]
DATAZ1[2]
FIFO[1]
DATAX0[1]
DATAX1[1]
DATAY0[1]
DATAY1[1]
DATAZ0[1]
DATAZ1[1]
FIFO[0]
DATAX0[0]
DATAX1[0]
DATAY0[0]
DATAY1[0]
DATAZ0[0]
DATAZ1[0]
DATA REGISTER (0x32 TO 0x37)
図 1.
Rev. 0
FIFO バッファの構成
－ 3/12 －
08234-001
加速度データのセンシングとデジタル化が完了した後で、サンプ
ルが出力フィルタから出力されます。このデータは FIFO 内部の、
データ・レジスタに最も近接したレベルに格納されます。デー
AN-1025
データ・レジスタからのデータの読出し
データ・レジスタからの読出し動作はすべて、複数バイト読出し
として実行することを推奨します。複数バイト読出しとは、複数
バイトの最終バイトが取得されるまで通信が終了しない読出し
です。複数バイト読出しを行うことで、レジスタから読み出した
データの時間的な同時性を確保することができます。単一バイト
読出しを実行すると、1 つの読出し動作が終了した後で次の読出
し動作が開始されるまでの間に新しいデータが出力フィルタか
ら出力される可能性があるため、サンプル間の時間的同期が確保
できない可能性があります。
SPI 3 線または 4 線通信の場合に複数バイト読出しを行うには、
マルチバイト・ビットを設定し、次にバイトごとに 8 個のクロッ
ク・パルス・セットを送信し続けます。図 2 に示すように、複数
バイト・ビットが設定された状態で、8 個のクロック・パルス・
セットがそれぞれ送信された後でレジスタ・ポインタは次の値に
シフトします。複数バイト・ビットの場所の説明は、ADXL345
データシートを参照してください。
I2C 通信の場合、複数バイト読出しは読出しの実行に必要な I2C
プロトコルに則り、SPI の場合の複数バイト読出しと同じ方法で
実行されます。読出しを開始した後で、9 個のクロック・パルス・
セット(I2C 通信ではアクノレッジ・ビットとして 9 番目のクロッ
ク・パルスが必要)の送信を続けると、レジスタ・ポインタが次
の値にシフトします。I2C 通信での読出し動作の実行に関する詳
細については、ADXL345 データシートまたは NXP Semiconductors
社から入手可能な UM10204 I2C バス仕様書およびユーザ・マニュ
アル、Rev. 03—19(2007 年 6 月発行)を参照してください。
SCLK
R + MB + STARTING
REGISTER ADDRESS
FIRST BYTE
CLOCK PULSES
SECOND BYTE
CLOCK PULSES
SIXTH BYTE
CLOCK PULSES
.
.
.
0x32
DATAX0
0x33
DATAX1
0x34
DATAY0
0x35
DATAY1
0x36
DATAZ0
0x37
DATAZ1
.
.
.
.
.
.
図 2.
Rev. 0
08234-002
REGISTER
.
.
.
ADXL345 の複数バイト SPI 読出し時におけるレジスタ・ポインタのシフト
－ 4/12 －
AN-1025
FIFOからのデータの読出し
う必要があります。FIFO の使用時に単一バイト読出しを実行す
ると、読出し動作の終了によって FIFO がポッピングするため、
1 つの読出し動作が終了した後で次の読出し動作を開始するま
での間にデータ・サンプル・セットがシフトし、異なるデータ・
サンプル・セットからの読出し値が混在してしまいます。たとえ
ば、x 軸の LSB の読出しに単一バイト読出しを使用し、さらに x
軸の MSB の読出しにも単一バイト読出しを使用すると、この読
出し動作が終了した後で次の読出し動作を開始するまでの間に
FIFO がポッピングし、同じデータ・サンプル・セットからでは
なく隣接するデータ・サンプル・セットからバイトを返す結果が
生じます(図 4 を参照)。
FIFOの使用中にデータ・レジスタから読出しを行うと、FIFO[0]
に格納されたデータ・サンプル・セットを読み出せます。古い
FIFO[0]値を取り出して、データ・サンプル・セットをシフトダ
ウンする (これはFIFOのポッピングとも呼ばれます)には、
DATAZ1 レジスタの最後のクロック・パルスを受信するか、また
は通信を終了する必要があります。SPI通信の実行中に通信を終
了させるには、CSピンのアサートを解除します。I2C通信の場合は
マスター・デバイスからの停止コマンドの発行によって通信を終
了します。次のサンプルを読み出すには、図 3 に示すように複数
バイト読出しを再度実行してください。
データ・レジスタからのデータの読出しと同様に、2 バイト以上
のデータを FIFO から読み出す場合には、複数バイト読出しを行
TERMINATE AND RESTART COMMUNICATION
SCLK
図 3.
INITIATE MULTIPLE-BYTE
READ + NECESSARY
CLOCK PULSES FOR
RETRIEVING SECOND
SAMPLE SET
INITIATE MULTIPLE-BYTE
READ + NECESSARY
CLOCK PULSES FOR
RETRIEVING nTH
SAMPLE SET
08234-003
INITIATE MULTIPLE-BYTE
READ + NECESSARY
CLOCK PULSES FOR
RETRIEVING FIRST SAMPLE SET
FIFO の読出し動作が終了した後で次の読出し動作を開始するまでの間に通信の終了と再開を行い、FIFO をポッピングする
X-AXIS
.
.
.
.
.
.
FIFO[2]
FIFO[1]
FIFO[0]
DATAX0[2]
DATAX0[1]
DATAX0[0]
.
.
.
.
.
.
...
DATAX1[2]
DATAX1[1]
DATAX1[0]
X-AXIS
DATAX0[3]
DATAX0[2]
DATAX0[1]
.
.
.
DATAX1[3]
DATAX1[2]
DATAX1[1]
DATA REGISTER (0x32 TO 0x33)
FIRST SINGLE-BYTE READ
RETURNS DATAX0[0] AND THEN
CAUSES THE FIFO TO POP.
BECAUSE FIFO POPPED BEFORE
DATAX1[0] IS READ, DATAX1[0] IS
LOST AND DATAX1[1] IS RETRIEVED.
DATAX1[1]
図 4.
Rev. 0
FIFO 使用時の単一バイト読出しによるサンプルの混在
－ 5/12 －
08234-004
DATAX0[0]
SINGLE-BYTE READ CAUSES DATA SETS TO BECOME
MIXED WHEN USING THE FIFO. MULTIPLE-BYTE READS
ARE REQUIRED TO PREVENT THIS.
AN-1025
通信速度、データレート、終了時間
データを FIFO から読み出すことが可能な速度は通信速度に依存
するため、データの読出し速度を上回る速度で FIFO を満杯にし
ないように、適切なデータレートを選択するよう注意してくださ
い。I2C プロトコルでは、複数バイト読出しを開始するだけのた
めに、Start Condition 送信、スレーブ・アドレスおよびレジスタ
アドレス指定、Start Condition 再送信、その後に続くスレーブ・
アドレスおよび読出しの動作が要求されます。I2C 通信でのホス
ト・コントローラの効率もデータの読み飛ばしなく使用できる出
力データレートに影響を及ぼすので、出力データレートを決める
際にはこの点も考慮に入れてください。一般に I2C 通信を使用す
る場合は加速度センサーの出力データレートを 800Hz 以下に設
定することを推奨します。
SPI では読出しの開始に関する条件が I2C とは異なるため、I2C よ
りも低いクロックレートでも同じ出力データレートでの読出し
が可能です。システム設計者は、バス速度に対応する適切なデー
タレートが選択されていることを検証する必要があります。
連続的な各サンプル読出し動作の間に必要な時間(図 3 に示す終
了および再開通信時間)は約 5 μsです。これは、各読出しの間で
FIFOがポッピングする必要があるためです。SPI通信の場合は、
DATAZ1 の読出しまたは CSピンのアサート解除が終了した後で
次のサンプル・セットの読出しが開始されるまでの間を約 5 μs以
上空ける必要があります。I2C通信の場合、読出しの開始に必要な
高速モードでの最小時間(70 μs)は、この 5 μsの条件を十分に満足
する時間です。
5 MHzのSPI通信の場合、読出しの開始に必要な時間はわずかに
約 1.6 μsであるため、各読出し動作の間でCSピンのアサートを解
除している時間を 3.4us以上にすることが要求されます。1.6 MHz
のSPI通信の場合は、読出しの開始に少なくとも 5 μsかかるので、
SPI速度が 1.6 MHzよりも低い場合には、CSピンのアサートの解
除に要する時間はSPI通信の仕様として規定されるtCS,DISのみにな
ります。
FIFOステータスのモニタリング
FIFO のステータスのモニタ用として、FIFO_STATUS レジスタを
使用できます。FIFO_TRIG ビットの説明は「トリガ・モード」
に記載しています。Entries ビットは、現在 FIFO に保持されてい
るサンプルの数に対応します。Entries ビットは 6 ビット長ですが、
最大許容値は 0x20 または 32(10 進数)です。FIFO からのデータ読
出し終了直後に FIFO_STATUS レジスタの読出しを行うと、エン
トリの値はデータ・サンプル・セットのシフト終了後まで更新さ
れないために不正確となります。データ・レジスタから読出しを
開始し、FIFO_STATUS レジスタの読出し後に動作を終了する複
数バイト読出しを実行する場合には、DATAZ1 の読出しが終了し
た後で FIFO_STATUS の読出しが開始されるまでの間に、FIFO
のポッピングを可能にするために 5 μs の最小時間が要求されま
す。この動作は、5 μs の最小時間を満足するまでクロックを引き
延ばすか、または停止させた後で通信を再開することで実現でき
ます。
表 1. FIFO_STATUS レジスタ(読出し専用)
D7
D6
FIFO_TRIG
X1
1
Rev. 0
－ 6/12 －
X = don’t care.
D5
D4
D3
D2
Entries
D1
D0
AN-1025
FIFOの設定
FIFO の設定は、
FIFO_CTL レジスタを通して行います。
FIFO_CTL
レジスタの FIFO_MODE ビットを使用して、FIFO の動作モード
を決定および設定します。また、Samples ビットを用いてをウォー
ターマーク割込みやトリガ割込みの設定を行います。Samples ビッ
トの動作は選択した FIFO の動作モードによって異なります。
表 2. FIFO_CTL レジスタ(読出し/書込み)
D7
D6
FIFO_MODE
D5
Trigger
D4
D3
D2
D1
D0
Samples
誤った割込みの発生、または偶発的な FIFO へのデータ投入を防
止するために、対応する割込みをイネーブルにする前、およびデ
バイスを測定モードに設定する前に、FIFO およびトリガ・モー
ドでのトリガ割込み、あるいはウォーターマークの設定を行って
ください。原則として、デジタル加速度センサーを以下の順に設
定します。
1.
2.
3.
4.
5.
データレート、計測範囲、データ・フォーマット、オフセッ
ト調整などのデータ・パラメータの設定
割込みの設定(イネーブルにしません)：スレッショルドとタ
イミング値を設定し、使用する割込みをピンを選択します。
FIFO の設定(使用する場合)：モード、トリガ・モードを使
用している場合はトリガ割込み、Samples ビットを設定しま
す。
割込みのイネーブル：INT_ENABLE レジスタ
デバイスの測定モードへの設定：POWER_CTL レジスタ
この順番に従うと、FIFO が空のとき、および Samples ビットが 0
のデフォルト値に設定されるときの誤ったウォーターマーク割
込みに加えて、割込みがデフォルト値でイネーブルになっている
ことに起因する誤った割込みの発生も防止されます。
FIFOモード
FIFO には、バイパス・モード、FIFO モード、ストリーム・モー
ド、トリガ・モードの 4 つの動作モードがあります。この各モー
ドは、FIFO_CTL レジスタの FIFO_MODE ビットを使用して設定
Rev. 0
します。どの値がどのモードに対応するかは、ADXL345 データ
シートを参照してください。
バイパス・モード
バイパス・モードのときには、FIFO は実質的にディスエーブル
になります。出力フィルタから新しいデータが出力されるたびに、
データ・レジスタまたはストアされた値が即時に新しいデータ・
サンプル・セットに置き換えられます。新しいデータが出力フィ
ルタから出力される前にデータ・レジスタの読出しを再度行うと、
古いデータをもう一度読み出せます。新しいデータが有効になる
まで古いデータが保持され、新しいデータが出力フィルタから出
力された時点でデータ・レジスタ内の古いデータが新しいデータ
に置き換えられます。新しいデータが有効になる瞬間に読出しの
通信を行っている場合には、ダブルバッファ出力により、読出し
を最初に終えた後で新しいデータを出力フィルタに送り込み、読
出しによるデータ損失を防止します。
このモードでは、新しいデータの読出し準備が完了していること
をマスター・デバイスに通知するために、通常は DATA_READY
割込みが使用されます。DATA_READY 割込みの設定は、選択し
た割込みピンに対して INT_MAP レジスタで DATA_READY 割込
み の 出 力 ピ ン を 設 定 し 、 次 に INT_ENABLE レ ジ ス タ で
DATA_READY ビットをイネーブルにします。DATA_READY を
マッピングした割込みは、新しいデータが有効になるときに発生
し、データ・レジスタからのデータ読出しによってクリアされま
す。DATA_READY 割込みの極性はアクティブ・ハイレベルにデ
フ ォ ル ト 設 定 さ れ て い ま す 。 DATA_FORMAT レ ジ ス タ で
INT_INVERT ビットを設定することにより、DATA_READY と他
のすべての割込みをアクティブ・ローレベルに設定できます。
表 3. INT_MAP/INT_ENABLE レジスタ(読出し/書込み)
D7
DATA_READY
D6
SINGLE_TAP
D5
DOUBLE_TAP
D4
Activity
D3
Inactivity
D2
FREE_FALL
D1
Watermark
D0
Overrun
－ 7/12 －
AN-1025
FIFOモード
DATA_READY 割込みと同様に、Water Mark 割込みはこれを発生
させる条件が取り除かれるまでその設定状態が維持されます。つ
まり、Entires の値が Samples の値よりも大きいか、またはこれと
等しい限り、Water Mark 割込みは発生した状態に保たれます。
Water Mark 割込みをクリアするには、FIFO 内のデータ数が
Samples で設定した値よりも小さくなるまで(データ・レジスタを
介して)FIFO からデータを読み出します。ただし、Water Mark 割
込みが非常に頻繁にトリガされることによって、FIFO を使用す
る利点が失われる問題の発生を防止するために、Samples で設定
した値と同等のデータ・サンプル・セットを読み出すことを推奨
します。
FIFO モードのときに、FIFO は満杯になるまで新しいデータを収
集した後で、FIFO に余裕スペースが利用できる状態になるまで
新しいデータの収集を停止します。データの読出しによって余裕
スペースが利用できる状態になると、出力フィルタから出力され
た最新のデータが再び FIFO に格納され始めます。FIFO が完全に
満杯の状態になり、データが十分迅速に読み出されない場合には、
満杯時に FIFO にストアされたデータと、余裕スペースが利用可
能な状態になった後に FIFO に格納された新しいデータとの間で、
データの時間的な断続が発生します。これを図 5 に示します。
FIFO モードの通常の動作方法は、DATA_READY をディスエー
ブルにし、代わりに Water Mark 割込みを用いる手法です。FIFO
モードでは、FIFO_STATUS レジスタの Entries の値に相当する
FIFO に格納されたデータの数が、FIFO_CTL レジスタの Samples
に書き込まれた値と等しくなると、Water Mark 割込みが発生しま
す。DATA_READY 割込みではなく、Water Mark 割込みを使用す
ると、所望のレベルまで FIFO にデータを格納し、その後の連続
的な複数バイト読出しで FIFO を空の状態にすることが可能であ
るため、加速度センサーからの割込み発生頻度を低減することが
できます。Water Mark 割込みを設定するには、ゼロ以外の値を
Samples に書き込みます。使用する値は任意に選択可能ですが、割
込みの発生時にシステムが割込みをどの程度迅速に処理できるか
に応じて異なります。処理時間が十分短く、新しいデータが FIFO
に格納される前に FIFO の読出しを終了できる場合には、32 に近
い値を選択できます。割込みが発生した後でこれを処理するまで
に遅延がある場合には、FIFO がデータを放棄する動作を防止す
るために、Samples を低い値に選択してください。Samples を設定
した後で、INT_MAP レジスタで Water Mark 割込みを INT1 または
INT2 のいずれかにマッピングし、その後に INT_ENABLE レジス
タで Watermark ビットを設定して、ウォーターマーク割込みをイ
ネーブルにします。
FIFO モードで FIFO がどのように動作するかを示す例を図 6 に記
載しています。この例では、Samples ビットが 6 の値に設定され
ているので、サンプルが FIFO[5]に押し込まれたときに Water
Mark 割込みが発生します。さらに 2～3 個のサンプルの後で割込
みが処理され、6 個のサンプルが FIFO から読み出され、FIFO 内
のエントリが 6 よりも少なくなり、Water Mark 割込みがクリアさ
れます。
任意の FIFO 動作モードから FIFO をバイパス・モードに設定す
ると、FIFO が空になる点に注意してください。したがって、FIFO
をバイパス・モードに設定する前に FIFO 内のデータを読み出し
てください。デバイスを測定モードからスタンバイ・モードに設
定すると、FIFO の内容は保持されますが、新しいサンプルが FIFO
に投入されなくなります。そのために、FIFO をクリアせずにス
タンバイ・モードから測定モードに設定するとデータの時間的な
断続が発生する可能性があります。
DATA[1]
...
DATA[31]
DATA[32]
DATA[33]
DATA[34]
DATA[35]
FIFO[31]
X
X
...
DATA[31]
DATA[31]
DATA[31]
DATA[31]
DATA[35]
FIFO[30]
X
X
...
DATA[30]
DATA[30]
DATA[30]
DATA[30]
DATA[34]
FIFO[29]
X
X
...
DATA[29]
DATA[29]
DATA[29]
DATA[29]
DATA[31]
FIFO[28]
.
.
.
X
.
.
.
X
.
.
.
...
DATA[28]
.
.
.
DATA[28]
.
.
.
DATA[28]
.
.
.
DATA[28]
.
.
.
DATA[30]
.
.
.
FIFO[2]
X
X
...
DATA[2]
DATA[2]
DATA[2]
DATA[2]
DATA[4]
FIFO[1]
X
DATA[1]
...
DATA[1]
DATA[1]
DATA[1]
DATA[1]
DATA[3]
FIFO[0]
DATA[0]
DATA[0]
...
DATA[0]
DATA[0]
DATA[0]
DATA[0]
DATA[2]
...
MULTIPLE-BYTE READ OF 2 SAMPLE SETS, DATA[0] AND DATA[1], CAUSES FIFO TO SHIFT.
DATA[32] AND DATA[33] ARE LOST BECAUSE ROOM WAS NOT AVAILABLE UNTIL AFTER
DATA[34] WAS SAMPLED. BECAUSE DATA[34] IS STILL THE NEWEST DATA WHEN SPACE IS
MADE AVAILABLE IN FIFO, IT IS SHIFTED INTO FIFO[30] BEFORE DATA[35] IS MADE AVAILABLE.
図 5.
Rev. 0
FIFO モードにおける FIFO のデータ投入順（オーバーランによりデータ損失が発生した状態)
－ 8/12 －
08234-005
TIME
.
DATA[0]
..
FIFO CONTENTS
OUTPUT FILTER
AN-1025
を防止するために FIFO が満杯になる前にデータが読み出されま
す。図 7 を例にとると、Overrun ビットは DATA[32]が出力フィ
ルタで有効になり、DATA[0]が放棄された時点で設定されます。
このビットは FIFO が読み出された時点でクリアされます。これ
により、FIFO が再び満杯の状態になるまで、Overrun ビットは設
定されません。
ストリーム・モード
ストリーム・モードで FIFO を動作させるときには、新しいデー
タ・サンプル・セットが連続的に収集されます。FIFO が満杯に
なると、FIFO[0]内の最も古いデータが放棄され、残りのデータ
がシフトダウンして、新しいデータが FIFO[31]に格納されます。
FIFO が読み出され、新しいデータの余裕スペースが利用可能に
なるまで、最も古いデータの放棄が続けられます。この動作を図
7 に示します。
表 4. INT_SOURCE レジスタ(読出し専用)
ストリーム・モードは、加速度データの読出しタイミングをホス
ト側で決定するアプリケーションを対象としています。これはボ
タンを押す動作、または特定時に加速度センサーからの情報を要
求するアプリケーション等が該当することがあります。この理由
により、ストリーム・モードでは割込みを使用しない動作が可能
です。しかし、ストリーム・モードでの Water Mark 割込みは、
FIFO モードの場合と同じ方法で動作し、FIFO 内のデータの数が
Samples で設定されている値と等しくなったときに割込みが発生
します。
D7
DATA_READY
D6
SINGLE_TAP
D5
DOUBLE_TAP
D4
Activity
D3
Inactivity
D2
FREE_FALL
D1
Watermark
D0
Overrun
トリガ・モード
トリガ・モードのときに、FIFO はストリーム・モードと同様の
動作を開始し、満杯になるまでサンプルを収集した後で、新しい
サンプルを保持するための余裕スペースを設けるために最も古
いサンプルを放棄します。トリガ・イベントの発生後に、Samples
ビットに設定された値に相当する数の最新のサンプルが、放棄さ
れずに残った古いサンプルとともに保持されます。次に、FIFO
は FIFO モードと同様の動作を開始し、満杯になるまで新しいサ
ンプルのみを収集した後で、FIFO 内で余裕スペースが利用可能
になるまで新しいサンプルを放棄します。サンプル値を 15 とす
る場合のこの動作を図 8 に示します。
ストリーム・モードに関連する機能の一つとして、INT_SOURCE
レジスタの Overrun ビットがあります。FIFO が満杯になった後
で、新しいデータが有効になりデータを放棄しなければならない
場合には、Overrun ビットが設定され FIFO が満杯になった事を
示します。これはすべての FIFO 動作モードで同じように動作し
ますが、FIFO モードとトリガ・モードでは通常、データの損失
...
DATA[4]
.
.
.
FIFO[6]
...
X
X
DATA[6]
DATA[6]
DATA[6]
X
FIFO[5]
...
X
DATA[5]
DATA[5]
DATA[5]
DATA[5]
X
X
FIFO[4]
...
DATA[4]
DATA[4]
DATA[4]
DATA[4]
DATA[4]
X
DATA[10]
FIFO[3]
...
DATA[3]
DATA[3]
DATA[3]
DATA[3]
DATA[3]
DATA[9]
DATA[9]
FIFO[2]
...
DATA[2]
DATA[2]
DATA[2]
DATA[2]
DATA[2]
DATA[8]
DATA[8]
FIFO[1]
...
DATA[1]
DATA[1]
DATA[1]
DATA[1]
DATA[1]
DATA[7]
DATA[7]
FIFO[0]
...
DATA[0]
DATA[0]
DATA[0]
DATA[0]
DATA[0]
DATA[6]
DATA[6]
.
..
FIFO CONTENTS
OUTPUT FILTER
.
.
.
DATA[5]
.
.
.
DATA[6]
.
.
.
DATA[7]
.
.
.
DATA[8]
.
.
.
DATA[9]
.
.
.
DATA[10]
.
.
.
X
...
TIME
BEGIN TO READ SAMPLES
FROM THE FIFO, 6 IN TOTAL.
INTERRUPT TRIGGERED WHEN NUMBER OF
SAMPLE SETS IN THE FIFO EQUALS 6.
図 6.
WHEN THE NUMBER OF SAMPLES
IN FIFO DROPS BELOW 6, THE
WATERMARK INTERRUPT IS CLEARED.
ウォーターマーク割込みを使用する FIFO モード動作の例、サンプル値 6
DATA[1]
...
DATA[31]
DATA[32]
DATA[33]
DATA[34]
DATA[35]
FIFO[31]
X
X
...
DATA[31]
DATA[32]
DATA[33]
DATA[34]
X
FIFO[30]
X
X
...
DATA[30]
DATA[31]
DATA[32]
DATA[33]
X
FIFO[29]
X
X
...
DATA[29]
DATA[30]
DATA[31]
DATA[32]
DATA[35]
FIFO[28]
.
.
.
X
.
.
.
X
.
.
.
...
DATA[28]
.
.
.
DATA[29]
.
.
.
DATA[30]
.
.
.
DATA[31]
.
.
.
DATA[34]
.
.
.
FIFO[2]
X
X
...
DATA[2]
DATA[3]
DATA[4]
DATA[5]
DATA[8]
FIFO[1]
X
DATA[1]
...
DATA[1]
DATA[2]
DATA[3]
DATA[4]
DATA[7]
FIFO[0]
DATA[0]
DATA[0]
...
DATA[0]
DATA[1]
DATA[2]
DATA[3]
DATA[6]
.
DATA[0]
..
FIFO CONTENTS
OUTPUT FILTER
MULTIPLE-BYTE READ OF 3 SAMPLE SETS, DATA[3], DATA[4], AND DATA[5], CAUSES FIFO
TO SHIFT, CREATING ROOM FOR NEW SAMPLES. DATA[0], DATA[1], AND DATA[2] ARE LOST
BECAUSE ROOM WAS NOT AVAILABLE UNTIL AFTER DATA[34] WAS SAMPLED, CAUSING
THEM TO BE DISCARDED TO MAKE ROOM FOR DATA[32], DATA[33], AND DATA[34].
図 7.
Rev. 0
最も古いサンプルを放棄するストリーム・モードでの FIFO 動作
－ 9/12 －
08234-007
...
TIME
08234-006
WATERMARK
INTERRUPT
AN-1025
DATA[1]
...
DATA[31]
DATA[32]
DATA[33]
DATA[34]
DATA[35]
FIFO[31]
X
X
...
DATA[31]
DATA[32]
DATA[33]
X
X
FIFO[30]
X
X
...
DATA[30]
DATA[31]
DATA[32]
X
X
FIFO[29]
X
X
...
DATA[29]
DATA[30]
DATA[31]
X
X
FIFO[28]
.
.
.
X
.
.
.
X
.
.
.
...
..
DATA[28]
.
.
.
DATA[29]
.
.
.
DATA[30]
.
.
.
X
.
.
.
X
.
.
.
FIFO[16]
X
X
...
DATA[16]
DATA[17]
DATA[18]
X
DATA[35]
FIFO[15]
X
X
...
DATA[15]
DATA[16]
DATA[17]
DATA[34]
DATA[34]
FIFO[14]
.
.
.
X
.
.
.
X
.
.
.
...
DATA[14]
.
.
.
DATA[15]
.
.
.
DATA[16]
.
.
.
DATA[33]
.
.
.
DATA[33]
.
.
.
FIFO[2]
X
X
...
DATA[2]
DATA[3]
DATA[4]
DATA[21]
DATA[21]
FIFO[1]
X
DATA[1]
...
DATA[1]
DATA[2]
DATA[3]
DATA[20]
DATA[20]
FIFO[0]
DATA[0]
DATA[0]
...
DATA[0]
DATA[1]
DATA[2]
DATA[19]
DATA[19]
.
.
DATA[0]
..
FIFO CONTENTS
OUTPUT FILTER
TRIGGER MODE OPERATES SIMILAR
TO STREAM MODE BEFORE TRIGGER
EVENT OCCURS
図 8.
TRIGGER EVENT OCCURS, NEWEST
15 SAMPLES RETAINED IN FIFO
サンプル値が 15 の場合のトリガ・モードでの FIFO 動作
トリガ・モードに対応するトリガ・イベントは、加速度センサー
が持つ任意の割込みです。複数の割込みを選択した場合には、最
初に発生した割込みがトリガ・イベントとして認識されます。設
定は以下の手順で行います。まずトリガとして使用したい割込み
を INT_SORUCE レジスタと INT_MAP レジスタで設定します
(ADXL345 データシートを参照)。次に FIFO_CTL レジスタの
Trigger ビットでトリガを掛ける割込みピンを選択します。0 の値
で ADXL345 の INT1 が選択され、
1 の値で INT2 が選択されます。
Trigger ビットで選択された割込みピンに設定されている割込み
が発生すると、FIFO は Samples の値によって決定されたデータ
数を保持した後で、FIFO が満杯になるまでデータの収集を続け、
FIFO が満杯になった時点で FIFO モードの動作に遷移します。
DATA_READY、Water Mark、Overrun の各割込みをトリガ・モー
ドのトリガ・イベントとして使用しないことを推奨します。
トリガ割込みの発生後は、FIFO が空になるまで読出しを実行し
てください。FIFO が FIFO モードの動作を継続する場合には、ホ
スト・プロセッサが加速度センサーからデータを読み出す回数を
最小限に抑えるために Samples ビットの値を調整し、ウォーター
マーク割込みを「FIFO モード」で説明するように設定する必要
があります。これとは別の方法として、ウォーターマーク割込み
をトリガ・イベントに使用していない割込みピンにマッピングし
Rev. 0
AFTER TRIGGER EVENT, FIFO
OPERATES SIMILAR TO FIFO MODE.
08234-008
...
TIME
て、トリガ・イベントが発生した後で初めて FIFO からデータを
読み出すように設定することも可能です。その後で、FIFO を FIFO
モードで使用する場合には Samples ビットの値を調整し、ウォー
ターマーク割込みに応答するようにホスト・プロセッサを設定で
きます。
トリガ・イベントの後に FIFO 内のデータを移動する必要がある
ため、トリガ・イベントが発生した後で FIFO の読出しを開始す
るまでに少なくとも 5 μs の時間が必要です。5 μs が経過した後で
FIFO は最も古いサンプルを放棄し、保持されたサンプルをシフ
トします。
トリガ・イベント発生後に再度トリガ・イベントを認識できるよ
うにするには、まず FIFO 内のデータセットを完全に読み出しま
す。トリガ・イベントで発生したデータが必要なければ、FIFO
内のデータを読み出す必要はありません。次に、FIFO_CTL レジ
スタでデバイスをバイパス・モードに設定し、FIFO 内に残って
いるすべてのデータを放棄します。FIFO をバイパス・モードに
設定した後で再度 FIFO_CTL レジスタの該当ビットを設定して、
デバイスを再びトリガ・モードに戻します。この時点でデバイス
は次のトリガ・イベントに応答するように設定されます。
－ 10/12 －
AN-1025
FIFOのアプリケーション例
デジタル加速度センサーの FIFO の省電力機能の実例として、図
9 にデータ収集と電流消費の関係を示します。
ADXL345 は、
100 Hz
の出力データレートに設定してあり、プロセッサーとしてアナロ
グ・デバイセズのマイクロコントローラと接続しています。FIFO
は 30サンプルが FIFO 内に格納された時点でウォーターマーク割
込みが発生するように設定してあり、データの読出しは SPI で
行っています。SPI のクロックは 5MHz に設定してありますので、
FIFO 内の 30 サンプルの読出しには約 500μs の時間がかかります。
省電力化
FIFO は、ホスト・プロセッサが加速度センサーと通信する回数
を低減できるので、特定のイベントが発生するまでデバイスを待
機状態にする場合や、データロギングを行う場合にシステムの消
費電力を抑えることができます。例としては、輸送する荷物に加
わる衝撃のモニタリングや、万歩計(出力の更新がリアルタイム
ではなくて良い場合)などがあります。
アナログ・デバイセズのデジタル加速度センサーがすでに達成し
ている超低消費電力を考慮すると、ホスト・プロセッサと他の周
辺デバイスを適切にスリープ・モードに設定することが、最大の
消費電力の節約になります。FIFO を利用することにより、加速度
データを連続的に収集し、さらにウォーターマーク割込みを用い
て、予め設定した値に基づいて FIFO が満杯の状態に近づいたと
きに限りホスト・プロセッサがウェークアップするようなシステ
ムを構築できます。FIFO がデータを収集しており、プロセッサ
が必要とされない時間は、プロセッサをスリープ・モードに設定
できるので、システムの消費電力が大幅に低減されます。さらに、
他の周辺デバイスを使用している場合には、システムがこれらの
動作を要求するまでオフにすることも可能です。
図 9 の例では、ホスト・プロセッサのウェークアップ、30 のデー
タ・サンプルの読出し、その後にスリープ・モードに戻る動作に
約 3.5 ms の時間がかかります。FIFO の利用による平均消費電流
は、ホスト・プロセッサを全時間にわたりアクティブの状態にし
た場合に必要な 11 mA と比較して、わずか 460 μA に低減されま
す。これは、96%に近い省電力に相当します。
12,000
CURRENT CONSUMPTION (µA)
10,000
TIME NECESSARY TO
WAKE UP HOST
PROCESSOR, READ 30
SAMPLES, AND GO BACK
TO SLEEP.
8000
6000
4000
ALREADY ULTRALOW
CURRENT CONSUMPTION
OF THE ACCELEROMETER
AND LOW SLEEP MODE
CURRENT OF HOST
PROCESSOR.
2000
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
TIME (ms)
図 9.
Rev. 0
FIFO の使用中にホスト・プロセッサをスリープ・モードに設定して達成された省電力
－ 11/12 －
08234-009
0
AN-1025
ADXL345 は約 3.9mg/LSB のスケール・ファクタを持っています。
これは約 0.25°の傾斜分解能に相当し、大部分のアプリケーショ
ンで十分な数値です。しかしながら、傾斜センシングといった一
部のアプリケーションでは、さらに高い分解能とノイズの低減が
要求される場合があります。こういった場合には、外部での信号
処理が有効です。
単純な平均化フィルタの場合には、平均化されたデータ数の平方
根にほぼ等しいノイズの低減が期待されます。たとえば、100 個
のデータを読み込んだ結果のノイズの実効値が 1 LSB(rms)で
あった場合に、簡単な構成の 4 サンプル平均化フィルタを使用す
ると、そのノイズが約 0.5 LSB rms に低減されます。例えば、100
Hz の出力データレートで ADXL345 を使用して 100 個のデータ・
ポイントを取り込んだデータと、FIFO を使用して 4 つごとにデー
タを読み込み平均化したデータを比較します。図 10 に示すよう
にホスト・プロセッサは 4 サンプルごとに一度だけデバイスから
データを読み出すだけで済みプロセッサのデータ読出しの周期
は 25 Hz に低減されます。またノイズの低減が確認できます。
低いノイズ、またはさらに高い分解能が望ましい場合には、フィ
ルタリングまたはオーバーサンプリング技術を利用できます。こ
の両方のケースでは、複数のデータを処理する必要があります。
これらのアプリケーションでは、必要なデータが溜まるまで
FIFO にデータを収集しておくことが可能であるため、処理に必
要な量のデータが蓄えられるまでの間ホスト・プロセッサがデー
タを連続的に読み出して保存する必要がありません。必要なデー
2
UNFILTERED 100Hz DATA
FILTERED DATA, 4 SAMPLE AVERAGE
1
OUTPUT IN LSB
0
–1
–2
–3
–4
–5
0
10
20
30
40
50
60
70
80
DATA SAMPLE
図 10.
FIFO を利用した 4 サンプル平均化フィルタによるノイズの低減
©2009 Analog Devices, Inc. All rights reserved. 商標および登録商標は各社の所有に属します。
Rev. 0
－ 12/12 －
90
100
08234-010
–6
AN08234-0-6/09(0)-J
タがすべて FIFO 内に収集された後で、サンプルのすべてを FIFO
から読み込むことが可能であるため、ホスト・プロセッサの負担
が軽減されます。
信号処理およびフィルタリング