mirror of
https://github.com/deunix-educ/voice-assistant.git
synced 2026-10-13 00:11:57 +02:00
Denis Defolie
d20976fea2
État du projet au premier commit : - firmware ESP32 : micro I2S, lecture anti-gigue, MQTT (état retenu, testament), mains libres, domotique de démonstration, chien de garde, présence du serveur ; - serveur Python : sessions, VAD, faster-whisper, pyannote, identification, droits par profil, domotique, mot de réveil, Piper ; - broker Mosquitto : configuration, comptes et ACL (non activés en développement) ; - étape 15b écrite, en attente d'essai : agent MQTT pour machines Linux. Étapes 1 à 15 validées. 203 tests, pyright sans erreur. Co-Authored-By: Claude Opus 5.5 <noreply@anthropic.com>
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20 KiB
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# Brochage et câblage — ESP32-WROOM-32 + INMP441 + MAX98357A
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Document de référence du câblage. Schéma visuel : [wiring.svg](wiring.svg)
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(clic droit → « Open Preview » dans VSCodium, ou ouverture dans un navigateur).
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> **Avant de câbler** : ESP32 débranché de l'USB. On ne modifie jamais un câblage
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> sous tension : une inversion VDD/GND détruit l'INMP441 en quelques secondes.
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## 1. Tableau de câblage complet
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Carte de référence : **DOIT ESP32 DEVKIT V1, 30 broches** (la plus répandue en TP).
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Sur une carte 38 broches, les numéros de GPIO sont identiques, seule leur position
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physique change : **fiez-vous toujours aux numéros sérigraphiés**, jamais au rang.
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### 1.1 Micro INMP441 (I2S0, réception)
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| INMP441 | ESP32 | Fil conseillé | Rôle |
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|---|---|---|---|
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| `VDD` | **3V3** | rouge | alimentation **3,3 V uniquement** |
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| `GND` | **GND** | noir | masse |
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| `SCK` | **GPIO 25** | bleu | horloge bit (BCLK), générée par l'ESP32 |
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| `WS` | **GPIO 26** | vert | sélection de mot (word select / LRCL) |
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| `SD` | **GPIO 33** | violet | donnée série, micro → ESP32 |
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| `L/R` | **GND** | noir | choix du canal : GND = **gauche** |
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`L/R` à GND est la référence de ce projet : gardez ce câblage.
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Attention à un piège propre à l'ESP32 : l'INMP441 n'émet que pendant **une moitié
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de trame** et sort des **zéros** pendant l'autre. Or la correspondance entre la
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broche `L/R` et les constantes `I2S_STD_SLOT_LEFT` / `..._RIGHT` du pilote n'est
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pas celle qu'on attend sur l'ESP32 d'origine. Écouter la mauvaise moitié donne un
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flux **parfaitement nul**, alors que le câblage est correct — le symptôme le plus
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déroutant de l'étape 1.
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Le firmware tranche donc tout seul : au démarrage, la classe `MicSelfTest`
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réveille le micro **une seule fois**, lit les deux moitiés de trame en cadrage
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MSB et décide sur la **structure** des mots : la moitié utile est celle qui n'est
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ni nulle ni constante, et elle doit porter exactement **24 bits utiles**. Si elle
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en porte 25, le micro suit le cadrage Philips et le firmware bascule. Le niveau
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au repos est affiché pour information, sans intervenir dans la décision.
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### 1.2 Amplificateur MAX98357A (I2S1, émission) — étape 2
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| MAX98357A | ESP32 | Fil | Rôle |
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|---|---|---|---|
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| `Vin` | **VIN (5 V)** | orange | alimentation 5 V (3,3 V possible mais 4× moins de puissance) |
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| `GND` | **GND** | noir | masse |
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| `BCLK` | **GPIO 27** | bleu | horloge bit |
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| `LRC` | **GPIO 14** | vert | sélection de mot |
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| `DIN` | **GPIO 22** | violet | donnée série, ESP32 → ampli |
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| `GAIN` | *non connecté* | — | gain 9 dB par défaut (voir §4) |
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| `SD` | *non connecté* | — | déjà tiré au + par 100 kΩ sur la carte → ampli actif |
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| `+` / `−` | haut-parleur | — | sortie pontée : **jamais de masse sur `−`** |
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### 1.3 Interface utilisateur
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| Élément | ESP32 | Câblage |
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|---|---|---|
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| Bouton PTT | **GPIO 4** | une borne sur GPIO 4, l'autre sur **GND** — pull-up interne activé par le firmware |
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| LED d'état | **GPIO 2** | GPIO 2 → résistance **330 Ω** → anode LED ; cathode → GND |
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La carte DevKit V1 possède déjà une LED bleue sur GPIO 2 : la LED externe est
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**optionnelle**, l'étape 1 est validable sans elle.
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### 1.4 Haut-parleur
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| Caractéristique | Valeur conseillée |
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|---|---|
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| Impédance | **4 Ω** (3 W) ou 8 Ω (2 W) |
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| Diamètre | 40 à 66 mm |
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| Câblage | directement sur `+` et `−` de l'ampli |
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La sortie du MAX98357A est **pontée** (les deux fils sont actifs, en opposition
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de phase). Relier `−` à la masse court-circuite l'étage de sortie.
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## 2. Schéma ASCII
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```
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ESP32-WROOM-32 (DevKit V1, 30 broches)
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+----------------------------------------+
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INMP441 | |
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+---------+ | EN GPIO23 |
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| VDD o--|--rouge------|--------------------------------> 3V3 | (broche 3V3)
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| GND o--|--noir-------|---------------------------------> GND | (broche GND)
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| SD o--|--violet---->| GPIO33 GPIO22 |<--violet--+
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| SCK o--|--bleu------>| GPIO25 GPIO4 |<--+ |
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| WS o--|--vert------>| GPIO26 GPIO2 |---|--+ |
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| L/R o--|--noir--> GND| GPIO27 -->--bleu----------+ .. | | | |
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+---------+ | GPIO14 -->--vert--------+ | .. | | | |
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3,3 V SEULEMENT | | | VIN(5V)| | | |
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+-------------------------|-|------------+ | | |
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| | | | |
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+-------------+ | | | |
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| +-----------+ | | |
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v v | | |
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MAX98357A | | | | |
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+----------|---|-----+ | | |
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| LRC o<--+ | | | | |
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| BCLK o<------+ | HP 4 ohms / 3 W | | |
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| DIN o<------------|----------------------|--|----+
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| GAIN o (non conn. = 9 dB) | |
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| SD o (non conn. = actif) + o---+ | |
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| GND o---noir--> GND - o---|--+ | |
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| Vin o---orange--> VIN (5 V) | | | |
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+------------------------------+ | | | |
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v v | |
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+---------+ | |
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| ( ) HP| | |
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+---------+ | |
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bouton PTT : GPIO4 ----[ / ]---- GND <-------------+ |
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LED etat : GPIO2 ----[330]---->|---- GND <-----------+
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```
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## 3. Pourquoi ce choix de broches
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| Contrainte | Conséquence |
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|---|---|
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| **Broches de strapping** GPIO 0, 2, 5, 12, 15 | leur niveau au reset choisit le mode de démarrage → aucun signal audio dessus. GPIO 2 ne porte qu'une LED, en sortie seule. |
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| **GPIO 34-39 sont en entrée seule** | inutilisables pour SCK/WS (sorties d'horloge). |
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| **GPIO 6-11** | reliées à la mémoire flash interne → jamais utilisables. |
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| **Deux périphériques I2S séparés** | I2S0 pour le micro, I2S1 pour l'ampli. On ne partage **pas** les horloges : le micro tourne en 32 bits/slot et l'ampli en 16 bits, et surtout l'entrée et la sortie doivent pouvoir démarrer et s'arrêter indépendamment. Cinq fils au lieu de trois : c'est le prix de la simplicité logicielle. |
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| **GPIO 1 / 3 (TX0/RX0)** | utilisées par l'USB-série → interdites. |
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## 4. Réglages matériels du MAX98357A
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### Broche `GAIN`
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| Câblage de `GAIN` | Gain |
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|---|---|
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| direct à GND | 15 dB |
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| à GND via 100 kΩ | 12 dB |
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| **non connectée** | **9 dB** ← notre choix |
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| à Vin via 100 kΩ | 6 dB |
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| direct à Vin | 3 dB |
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### Broche `SD` (shutdown + choix de canal)
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La tension sur `SD` sélectionne le mode :
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| Tension sur `SD` | Mode |
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|---|---|
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| < 0,16 V | ampli éteint |
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| 0,16 – 0,77 V | canal droit seul |
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| 0,77 – 1,4 V | canal gauche seul |
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| **> 1,4 V** | **moyenne (gauche + droite) / 2** ← par défaut |
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Les cartes de type Adafruit tirent `SD` au + par 100 kΩ : laissée libre, la broche
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est donc au-dessus de 1,4 V et l'ampli fonctionne en mode moyenne.
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Le firmware émet en **stéréo, le même échantillon sur les deux voies**
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(`AudioOutput`). La moyenne (gauche + droite) / 2 redonne donc exactement le
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signal : niveau correct, et une éventuelle inversion gauche/droite est sans effet.
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On n'a pas misé sur le comportement implicite d'un mode « mono » : c'est la leçon
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de l'étape 1, où une moitié de trame muette nous a longtemps égarés.
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Pour couper le son par logiciel, on reliera plus tard `SD` à un GPIO
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(niveau bas = silence). Inutile avant l'étape 15.
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## 5. Bilan de consommation
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| Consommateur | Courant moyen | Crête |
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|---|---|---|
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| ESP32 (Wi-Fi actif) | ~120 mA | ~500 mA pendant l'émission radio |
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| INMP441 | 1,4 mA | — |
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| MAX98357A au repos | 2,4 mA | — |
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| MAX98357A à 3 W sur 4 Ω | ~670 mA | ~1,2 A sur les transitoires |
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| **Total au volume maximal** | **~0,8 A** | **> 1,5 A** |
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Conséquences pratiques :
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1. Une alimentation USB 5 V / 1 A **ne suffit pas** au volume maximal : l'ESP32
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redémarre (brown-out). Prévoir **5 V / 2 A**.
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2. Ajouter un condensateur **électrolytique 470 µF / 16 V** entre `Vin` et `GND`
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de l'ampli, au plus près de la carte : il fournit les crêtes que les fils de
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breadboard ne peuvent pas suivre. Types et valeurs limites : **§6**.
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3. Alternative propre : alimenter l'ampli par une source 5 V **externe**, en
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reliant sa masse à celle de l'ESP32 (**masse commune obligatoire**).
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## 6. Condensateurs : types et valeurs
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### 6.1 Les trois condensateurs du montage
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| Rep. | Où | Rôle | Type exact |
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|---|---|---|---|
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| **C1** | `Vin` / `GND` du MAX98357A | réservoir d'énergie pour les crêtes du haut-parleur | électrolytique aluminium radial, **faible ESR**, 105 °C |
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| **C2** | `Vin` / `GND` du MAX98357A, collé à C1 | découplage haute fréquence (la classe D découpe à ~300 kHz) | céramique multicouche **X7R** ou X5R |
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| **C3** | GPIO 4 / `GND` (**optionnel**) | anti-rebond matériel du bouton | céramique multicouche **X7R** |
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### 6.2 Valeurs minimale, typique et maximale
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| Rep. | Mini | **Typique** | Maxi | Tension de service |
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|---|---|---|---|---|
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| **C1** | 100 µF<br>`1 × 10⁸ pF` | **470 µF**<br>`4,7 × 10⁸ pF` | 1 000 µF<br>`1 × 10⁹ pF` | ≥ 10 V, **16 V conseillé** |
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| **C2** | 10 nF<br>`10 000 pF` (code 103) | **100 nF**<br>`100 000 pF` (code **104**) | 1 µF<br>`1 000 000 pF` (code 105) | ≥ 25 V |
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| **C3** | 10 nF<br>`10 000 pF` (code 103) | **100 nF**<br>`100 000 pF` (code **104**) | 220 nF<br>`220 000 pF` (code 224) | ≥ 16 V |
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Les bornes ne sont pas arbitraires :
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- **C1 mini 100 µF** — la chute de tension pendant une crête vaut `ΔV = I × Δt / C`.
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Pour 1 A pendant 100 µs : 470 µF → 0,21 V (sans effet) ; 100 µF → 1,0 V (limite,
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l'ESP32 décroche vers 4,0 V en entrée de son régulateur) ; 47 µF → 2 V, redémarrage garanti.
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- **C1 maxi 1 000 µF** — au branchement, le condensateur vide est un court-circuit :
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`I = C × dV/dt`. Charger 1 000 µF à 5 V en 1 ms demande **5 A**, ce qui déclenche la
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protection du port USB ou du hub. Au-delà, il faut un circuit de pré-charge : hors sujet ici.
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- **C2** — au-dessus de ~1 MHz, un électrolytique se comporte comme une self : il ne
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découple plus rien. Sous 10 nF, la céramique ne stocke plus assez pour les fronts de
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commutation. Au-dessus de 1 µF, aucun gain et le boîtier devient inutilement gros.
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- **C3** — la constante de temps vaut `τ = R_pull-up × C`, avec le pull-up interne de
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l'ESP32 à ≈ 45 kΩ : 100 nF → τ = 4,5 ms, soit ~6 ms pour franchir le seuil logique.
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C'est bien en dessous des `BUTTON_DEBOUNCE_MS = 30 ms` du firmware. Avec 220 nF on
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atteint ~13 ms : encore acceptable. Au-delà, le filtre matériel et le filtre logiciel
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se cumulent et le bouton devient mou.
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**C3 est facultatif** : l'anti-rebond est déjà fait en logiciel dans
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[PushButton.cpp](../firmware/src/PushButton.cpp). Ne l'ajoutez que si le bouton est au
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bout d'un fil long et capte du bruit. Dans ce cas, insérez aussi **100 Ω en série**
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entre le GPIO et le bouton : cette résistance limite le courant de décharge du
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condensateur dans le contact à chaque appui, ce qui préserve le bouton.
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### 6.3 Lire le marquage — il est justement en picofarads
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Les céramiques portent un **code à trois chiffres en pF** : deux chiffres significatifs,
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puis le nombre de zéros à ajouter.
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| Code imprimé | picofarads | nanofarads | microfarads |
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|---|---|---|---|
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| `102` | 1 000 pF | 1 nF | 0,001 µF |
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| `103` | 10 000 pF | 10 nF | 0,01 µF |
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| **`104`** | **100 000 pF** | **100 nF** | **0,1 µF** |
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| `224` | 220 000 pF | 220 nF | 0,22 µF |
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| `105` | 1 000 000 pF | 1 000 nF | 1 µF |
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| `106` | 10 000 000 pF | 10 000 nF | 10 µF |
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Une lettre suivante donne la tolérance : `J` = ±5 %, `K` = ±10 %, `M` = ±20 %.
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Sur un découplage, la tolérance n'a aucune importance : `K` ou `M` conviennent.
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Les électrolytiques, eux, portent la valeur en clair (`470µF 16V`) et une **bande
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verticale marquant la borne négative**, en face de la patte la plus courte.
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### 6.4 Pièges sur les condensateurs
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1. **Polarité** — un électrolytique monté à l'envers chauffe, gonfle puis éclate en
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quelques secondes. La bande imprimée est le **−**, la patte longue est le **+**.
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Les céramiques, elles, ne sont pas polarisées.
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2. **Diélectrique** — refusez les `Y5V` et `Z5U` : ils perdent jusqu'à 80 % de leur
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capacité avec la température et la tension appliquée. **X7R** (ou X5R) pour le
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découplage, `C0G`/`NP0` seulement pour les petites valeurs.
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3. **Effet de la tension continue** — une céramique 10 µF / 6,3 V en boîtier 0603
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ne fait plus que 4 µF sous 5 V. C'est pourquoi C2 est spécifiée en **25 V minimum**.
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4. **ESR** — un 470 µF « general purpose » peut présenter 1 Ω de résistance série :
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inutile pour des crêtes de 1 A. Cherchez la mention **low ESR** ou **105 °C**
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(typiquement < 0,3 Ω).
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5. **Distance** — C1 et C2 à moins de 3 cm des broches `Vin` / `GND` de l'ampli.
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Au-delà, l'inductance des fils annule leur effet.
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6. **C1 et C2 ne se remplacent pas** : le gros stocke l'énergie, le petit évacue le
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haut du spectre. On met toujours les deux, en parallèle.
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Les modules INMP441 et MAX98357A du commerce embarquent déjà leur découplage local
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(100 nF, et 10 µF côté ampli). C1 et C2 compensent **les fils de la platine d'essai**,
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pas un manque des modules.
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## 7. Précautions de câblage
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1. **Longueur des fils I2S** : 15 cm maximum. Au-delà, l'horloge se déforme et le
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son devient bruité.
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2. **Séparer** les fils du micro de ceux du haut-parleur : le courant du HP
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(jusqu'à 1 A commuté à 300 kHz) rayonne dans les fils du micro.
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3. **Masse commune** entre tous les modules, sans exception.
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4. Ne pas alimenter l'INMP441 en 5 V : il est prévu pour 1,8 à 3,3 V.
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5. Le micro est sensible aux vibrations : le fixer, ne pas le laisser pendre
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contre le boîtier du haut-parleur (effet Larsen mécanique).
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6. Sur breadboard, vérifier que les deux moitiés des rails d'alimentation sont
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bien reliées (beaucoup de breadboards coupent les rails au milieu).
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## 8. Vérifications au multimètre, avant le premier démarrage
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ESP32 **débranché**, en mode continuité puis en mode tension :
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| # | Mesure | Attendu |
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|---|---|---|
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| 1 | continuité `INMP441 VDD` ↔ `ESP32 3V3` | passant |
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| 2 | continuité `INMP441 GND` ↔ `ESP32 GND` | passant |
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| 3 | continuité `INMP441 L/R` ↔ `GND` | passant |
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| 4 | continuité `INMP441 VDD` ↔ `GND` | **coupé** (sinon court-circuit) |
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| 5 | continuité `MAX98357A Vin` ↔ `ESP32 VIN` | passant |
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| 6 | continuité `MAX98357A −` ↔ `GND` | **coupé** |
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| 7 | continuité `GPIO 4` ↔ `GND`, bouton relâché | **coupé** |
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| 8 | continuité `GPIO 4` ↔ `GND`, bouton appuyé | passant |
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### Continuité de la ligne de données
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Le défaut le plus tenace de l'étape 1 est une ligne `SD` qui n'arrive pas. Testez
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en continuité, **carte hors tension**, et **sur la pastille du module**, jamais au
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bout du fil : une soudure sèche laisse passer le fil mais pas le signal.
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| # | Mesure | Attendu |
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|---|---|---|
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| 8b | `GPIO 33` ↔ pastille `SD` du module | passant |
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| 8c | pastille `L/R` du module ↔ `GND` | passant |
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| 8d | `GPIO 33` ↔ `GND` | **coupé** |
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||
Puis USB branché :
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| # | Mesure | Attendu |
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|---|---|---|
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| 9 | tension `3V3` / `GND` | 3,2 à 3,4 V |
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| 10 | tension `VIN` / `GND` | 4,6 à 5,1 V |
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| 11 | tension `GPIO 4` / `GND`, bouton relâché | ≈ 3,3 V (pull-up interne) |
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||
| 12 | tension `GPIO 4` / `GND`, bouton appuyé | ≈ 0 V |
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||
Le test 11 exige que le firmware soit déjà téléversé : le pull-up est activé par
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`pinMode(INPUT_PULLUP)`.
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## 9. Diagnostic rapide
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| Symptôme | Cause la plus fréquente | Vérification |
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|---|---|---|
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| Auto-test : les deux moitiés « silence numerique » | le micro n'est pas cadencé ou n'émet rien | tensions sur les **pastilles du module** : `VDD` 3,3 V, `SCK` et `WS` ≈ 1,6 V |
|
||
| Auto-test : « un bit de retard (Philips) » | le micro suit le cadrage Philips | aucune : le firmware bascule et revérifie |
|
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| Auto-test : « DECALE : bit de signe perdu » (23 bits) | cadrage faux, le premier bit déborde dans le mot précédent | aucune en MSB ; si ça persiste, envoyer l'analyse bit à bit |
|
||
| Auto-test : « queue du mot non nulle » | bits parasites après les 24 bits utiles | vérifier `MIC_SD_PULLDOWN = true` |
|
||
| Auto-test : « les DEUX moities portent des donnees » | `L/R` flottant, ou deux micros sur la ligne | continuité `L/R` ↔ GND sur la pastille |
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| Auto-test : « bruit de fond eleve » au repos | pièce bruyante, ou micro pas encore stabilisé | sans effet sur le cadrage ; juger sur l'enregistrement |
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| Ligne SD : « FLOTTE », horloges correctes | rien ne pilote GPIO 33 | continuité `SD` ↔ GPIO 33 sur la pastille |
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| Auto-test série : amplitude mesurable mais crête faible | simple question de gain | appliquer la valeur de `MIC_GAIN` conseillée par l'auto-test |
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| Crête à 0 %, silence total | `L/R` non relié à GND | test 3 |
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| Crête à 0 %, silence total | `SD` du micro sur la mauvaise broche | test de continuité vers GPIO 33 |
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| Bruit blanc continu | micro alimenté en 5 V | test 9 sur la broche `VDD` du micro |
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| Son très faible même en criant | `SCK` et `WS` inversés | inverser GPIO 25 et GPIO 26 |
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| Signal haché, craquements réguliers | fils I2S trop longs | raccourcir à 10 cm |
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| L'ESP32 redémarre quand le son sort | alimentation insuffisante | §5, points 1 et 2 |
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| Téléversement impossible | LED sur GPIO 2 qui perturbe le boot | retirer la LED externe, utiliser celle de la carte |
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| Le HP souffle ou vibre en permanence dès la mise sous tension | broches I2S de sortie flottantes : l'ampli amplifie du bruit | firmware ≥ étape 1 : `silenceAmplifier()` les force à 0. Si le bruit persiste pendant le boot, relier `SD` de l'ampli à `GND`, ou ne pas l'alimenter avant l'étape 2 |
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| Sifflement aigu permanent | masse commune absente entre ampli et ESP32 | §7, point 3 |
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## 10. Récapitulatif des GPIO réservés
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| GPIO | Usage | Étape |
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|---|---|---|
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| 2 | LED d'état | 1 |
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| 4 | bouton PTT | 1 |
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| 14 | MAX98357A `LRC` | 2 |
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| 22 | MAX98357A `DIN` | 2 |
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| 25 | INMP441 `SCK` | 1 |
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| 26 | INMP441 `WS` | 1 |
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| 27 | MAX98357A `BCLK` | 2 |
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| 33 | INMP441 `SD` | 1 |
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| 21 | LED de démonstration domotique (« la lumière » de la pièce) | 11 |
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### LED de démonstration (étape 11, facultative)
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GPIO21 ──[ 330 Ω ]──►|── GND LED rouge ou verte : patte longue (anode) côté résistance
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Courant : (3,3 V − 2,0 V) / 330 Ω ≈ 4 mA, bien sous les 12 mA conseillés par broche.
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GPIO 21 est libre et sans rôle au démarrage (pas une broche de *strapping*). Elle
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figure « la lumière » de la pièce de la carte ; volets et porte sont simulés
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(état affiché sur la liaison série). Un module relais se brancherait au même endroit.
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Cette LED n'est pas dessinée sur `wiring.svg`.
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Les valeurs sont définies une seule fois, dans
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[firmware/include/config.h](../firmware/include/config.h). Toute modification de
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câblage se fait dans ce fichier, jamais dans le code des classes.
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