Scénario d'usage du produit ou du concept envisagé

Frank est un jeune étudiant de 20 ans. Depuis toujours, il est passionné de musique et il a même créé son groupe de rock avec trois de ses amis. Ils commencent d'ailleurs à se faire connaître dans toute leur école pour leurs reprises des plus grands groupes tels Tokyo Hotel ou même BB Brunes. Seulement voilà, Frank ne veut pas se limiter à jouer des morceaux existants, il veut aller plus loin, il veut composer ses propres morceaux. Un jour, il se décide finalement à faire le premier pas vers l'accomplissement de ce rêve. Il prend en main sa guitare, gratte quelques accords, cherche une mélodie,... Il finit par trouver un enchaînement qui lui plaît et décide de le noter à la main pour le faire partager à son groupe.

Malheureusement, notre ami Frank n'est pas très doué pour écrire des partitions et puis cela lui prend tellement de temps qu'il en perd son inspiration. Ce serait tellement plus simple pour lui si il existait une application permettant de retranscrire instantanément les notes jouées sur sa guitare. Il abandonne donc sa guitare pour partir à la recherche de ce logiciel fabuleux. Malheureusement, Frank est étudiant, il à donc peu d'argent... En voyant les prix proposés pour les logiciels de pro, Frank commence à désespérer. C'est là qu'il tombe sur la page des projets IMA4 2019, où un groupe à crée une application libre de droits permettant de faire exactement ce qu'il recherche, à savoir : retranscrire directement sur une partition les notes jouées à la guitare, et ce, simplement à l'aide d'un câble.

Frank a ainsi pu commencer à composer ses premières musiques qu'il partagea avec son groupe. Frank et son groupe ont par la suite connu un succès fou et ont même débuté une tournée à travers l'Europe en 2023.

Frank et ses amis ont ainsi suivi la route d'autres étoiles montantes de leur époque telles Grégoire ou Louane. Cependant, leur histoire s'arrête brutalement en 2032 lorsque Frank tombe dans la drogue suite à d'horribles accusations de plagiat de la part de M. Pokora. Rest In Peace Frank, tu ne seras pas oublié.

Réponse à la question difficile

- Comment faire un traitement de signal efficace avec un micro-contrôleur et une contrainte de temps forte.

Pour répondre à cette question, nous devons préciser plus en détails les paramètres d'acquisition souhaités, en comparaison de ce qui sera posible de faire via notre microcontrôleur.

Le micro-contrôleur que nous avons souhaité sélectionner est le STM3F401CB. Disposant d'un DSP (Digital Signal Processing), il est adapté pour le traitement audio. Sa clock oscille jusqu'à une fréquence de 84MHz.

La fréquence d'échantillonnage utilisée généralement en studio d'enregistrement est de 44.1kHz. Et encore, c'est pour retranscrire au mieux toutes les harmoniques du signal. Nous n'avons pas besoin d'autant de précision car nous souhaitons surtout étudier et récupérer la fréquence de la fondamentale.

Même si nous n'avons pas encore pris le temps de faire des calculs et dimensionnements précis des différents paramètres de notre traitement, on constate bien que l'horloge interne du microprocesseur n'aura aucun problème pour tenir la cadence imposée par la fréquence d'échantillonnage.

A l'échelle humaine, la contrainte de temps est moyennement forte puisqu'il est impossible de faire en dessous d'un certain seuil de notes par secondes (disons des quadruple croches (1/16è de temps) à 200 battement par minute, cela nous donne (200/60)*16 = 53 notes par secondes). Ce qui reste bien en dessous des 84 MHz de la clock. La FFT ne devrait pas avoir de mal à tenir la cadence.

- Comment gérer des instruments désaccordés ou des nuances de jeu ?

Comme notre projet nous permet de reconnaître une large gamme de notes, on peut imaginer ajouter un accordeur de guitare avant de jouer un morceau. JUstement, c'était l'étape intermédiaire que nous envisagions de créer avant de se lancer sur le logiciel de partition en lui-même. Pour s'assurer de la bonne reconnaissance des notes lors du jeu, nous ajouterons alors avant la capture une séance d'accordage obligatoire pour l'utilisateur. Il suffira simplement de comparer la note à des fréquences précises, et indiquer simplement si celle ci est accordée, trop grave, ou trop aiguë.

Une deuxième idée, au lieu de mettre en place un accordeur à chaque fois que l'on veut jouer, serait d'instaurer l'accordeur seulement lorsque le logiciel n'arrive pas à reconnaître trop de notes. L'acquisition du morceau serait alors mise en suspens tant que l'utilisateur ne s'est pas réaccordé.

En ce qui concerne les nuances de jeu, nous pourrions imaginer la mise en place d'un threshold sur l'amplitude des signaux reçus qui nous permettrait de savoir si l'utilisateur joue plutôt fort, s'il y a des crescendo, ... Nous devrons de toute façon implanter cette méthode de threshold pour reconnaître quand une nouvelle note est jouée. Par exemple pour reconnaître le rythme lorsque l'utilisateur joue plusieurs "Do" d'affilée.

Préparation du projet

Cahier des charges

Comme nous l'avons dis auparavant, le but de ce projet est de récupérer les notes et rythmes jouées depuis une guitare électrique pour les traduire en une partition de musique sur un ordinateur.

Pour cela, nous avons besoin :

1. De récupérer le signal de sortie de la guitare, via son port Jack
2. De déterminer à quelle note correspond chaque signal, via notre microprocesseur
3. D'envoyer la valeur de la note à l'ordinateur
4. Sur l'ordinateur, d'afficher chaque note sur une partition

Cahier des charges :

Fonctions	Objectif	Description	Contraintes	Niveau de priorité
Récupération du signal	Récupérer le signal de sortie de la guitare	La guitare émet un signal de sortie via son port jack, le but est donc de récupérer ce signal sur une carte électronique. Le signal devra être exploitable par la suite, il devra donc passer par un préamplificateur	Le signal récupéré doit être fidèle au signal sortant de la guitare, le bruit ne devra pas gêner son traitement par la suite	Priorité haute
Détermination des notes	Déterminer à quelle note correspond chaque signaux	Notre microprocesseur va traiter le signal pré-amplifié, le bruit va être atténué au maximum, les mesures sont ensuite faites à intervalles régulier, pour chaque signaux, ont effectue une fft afin de comparer la valeur de celle ci à la fft de notes ou d'accords connus	Chaque note doit être lue et reconnue, y compris lorsqu'une même note et joué plusieurs fois de suite, ou que le rythme augmente	Priorité très haute
Envoie des notes vers l'ordinateur	Envoyer les valeur des notes reconnues à l'ordinateur via le port série	Une fois reconnue, on envoie à intervalle régulier les valeurs de nos notes (valeur hexadécimal) sur le port série	L'envoie doit être régulier est implémenté de manière à ce que l'ordinateur reconnaisse un crescendo ou un changement de rythme	Priorité moyenne
Affichage de la partition	Afficher les notes sur une interface graphique	Le programme sur l’ordinateur associe à chaque signal arrivant du port série une note, qui sur la partition aura une position ou un forme précise	Le rythme doit être pris en compte pour retranscrire au maximum le morceau joué, et non une simple suite de note	Priorité moyenne

Choix techniques : matériel et logiciel

Choix matériels

Cette partie sera mise à jour au fil de l'avancement du projet. Dernière mise à jour le 28/01/2019
La majeure partie des matériaux dont nous aurons besoin se composera de composants électroniques. Nous aurions besoin des composants suivants :

Elements principaux :

- Le connecteur jack femelle (Amphenol ACJS-MHDR) : [1]

- L'ampli OP nécessaire à notre préampli (MAX4468EKA+T): [2]

- Le microcontrôleur STM32F411 : [3]

- Connecteur USB : []

- Filtre passe-bas (MAX7405EPA) : [4]

- Voltage regulator 5v vers 3.3V (Toshiba TCR2EF33): [5]

- Micro electret avec ampli intégré (CMA 4544 + MAX4466) : [6]

- Carte Nucleo avec STM32F411 (solution de secours au cas où notre carte ne fonctionnerait pas) : [7]

Petits composants :
Voir tableau des composants sur la page générale des projets

Choix logiciels

- Sur le microcontrôleur : Programmation en langage C, à l'aide de librairies FFT trouvables sur Internet : [8]

- Pour réaliser notre logiciel, il nous faudra en partie concevoir une interface graphique et accessible à n'importe quel utilisateur. Nous n'avons pas encore de langage défini en tête mais pensions partir vers du Python, du Java ou du C++. Il nous faudra étudier les avantages et inconvénients pour déterminer la solution optimale.

Liste des tâches à effectuer

Ce projet peut se diviser en trois parties distinctes : la conception de la carte électronique, la programmation de notre microcontrôleur et la programmation du logiciel d'affichage.

Conception de la carte :

• Choix des composantes
• Design de la carte (via Altium / Fritzing ou Designspark)
• Impression de la carte
• Soudure et tests des composants

Prévoir d'éventuels prototypes défectueux ?

Programmation du microcontrôleur STM32F4 :

• Programmation de la partie traitement du signal
• Tests (Signaux "simples" puis de plus en plus complexes)
• Programmation de la partie envoi sur port USB ou série

Programmation du logiciel d'affichage :

• Choix du code/interface
• Programmation de l'afficheur de notes
• Programmations de la réception et lecture des données du port USB ou série

Calendrier prévisionnel

On estime que la partie traitement du signal sera la plus longue. Cependant, dans ce calendrier, on a supposé qu'on travaillerait en binôme sur chaque partie. Ce calendrier représente donc plutôt les Deadlines à respecter pour chaque partie de notre projet.

Réalisation du Projet

Feuille d'heures

Tâche	Prélude	Heures S1	Heures S2	Heures S3	Heures S4	Heures S5	Heures Pause Février	Heures S6
Analyse du projet	- Analyse de la partie carte électronique - Questions aux enseignants - Création d'un premier schéma papier puis sur Fritzing 3h	- Conception du schématic sur Altium - Premier choix des composantes centrales de la carte 4h	- Terminer la conception de la première version schématic sur Altium - Avancer sur la liste du matériel 4h	- Nouveaux composants sur le schematic - Chercher les librairies sur le net 4h	- Avancée sur le schematic partie son - Chercher les librairies sur le net 4h	- Avancée sur le schematic partie microcontrôleurs - Avancée de la liste de matériel 4h	- Premiers pas sur la GUI Java - Conception d'un métronome - Liste de matériel terminée 8h	- Remplissage Wiki - Renseignements sur la nucleo - Schematic 6h

Heures S7	Heures S8	Heures S9	Heures S10	Heures S11	Heures Pause Avril	Heures supp	Total
- Dernière version du schematic - Récupérations de programmes Nucleo - Début du routage 8h	- Routage de la carte - Réalisation d'un accordeur en Java (sans GUI) 6h	- Dernières modifications du PCB - Tests de circuit ampli sur breadboard pour prise jack 6h	- Tests de montage ampli - Implémentation d'un programme Nucleo - Tests micro et jack avec la Nucleo 10h	- Soudage de la carte - Debug du programme Nucleo 12h	- Conception du boîtier - Création de la GUI de l'accordeur et métronome - Squelette du logiciel final 26h	- Finalisation du logiciel - Impression du boîtier > 25h	130h

Prologue

Avant de commencer notre projet, nous avons contacté Mr Boé pour éclaircir certains points à propos de la partie électronique.

Nous avons discuté une bonne heure pour qu'il puisse répondre à nos questions, nous permettre de trouver un point de départ et nous expliquer plus en détails l'intérêt des différentes pattes du microcontrôleur.

On a ainsi pu mettre en place un schéma "initial" présentant les différents composants qui nous seront utiles pour la conception. On nous a notamment conseillé de concevoir la carte de manière à pouvoir la déboguer facilement, et également de prévoir plusieurs alternative au signal d'entrée (prise Jack ou micro) et de sortie (USB ou port série). Nous avons envisagé la possibilité de modifier facilement les résistances, pour éviter de dé-souder et re-souder par dessus, ce qui pourrait à la longue endommager notre circuit. Cette possibilité de disposer "d'alternatives" à notre circuit nous fait peut-être perdre du temps de routage et de la place sur notre carte, mais nous facilitera grandement la tâche en cas de "défauts" dans le traitement des signaux.

Semaine 1

Lors de cette première semaine, nous avons commencé à créer le schematics de notre carte électronique. Chez nous, nous avions déjà réfléchi à certains choix de composantes (microcontrôleur, filtre, alimentation,...) mais nous l'avions implémenté sur Fritzing car beaucoup de nos composants étaient déjà présents dans la bibliothèque de base. Finalement, lors de cette séance, sous avons commencé à travailler sur Altium. Nous avons donc mis une bonne partie du temps à recopier ce que nous avions fait et surtout à récupérer les librairies des composants manquants

Nous avons commencé par importer des bibliothèques correspondant à nos composantes connues actuellement, soit :

• Un microcontrôleur STM32F411RET6 [9]
• Un micro electret [10]
• Un filtre passe-bas MAX7401ESA+ [11]
• Un amplificateur OPA344UA
• Une prise jack femelle 6.35 mm

Nous avons ainsi commencé à placer les composants autour de notre microcontrôleur, en commençant par l’alimentions via le port USB, le boot0, le reset, les leds test et le débug, et nous avons fini par l'amplificateur d'entrée, placé après les entrées micro et/ou jack.

En amont de cet ampli nous placerons le micro et la prise Jack (à connecter par la suite au choix grâce à des fils), puis en aval, nous placerons le filtre. Il nous reste également à placer le quartz (p84 datasheet).

Semaine 2

Lors de cette séance, nous avons essayé de compléter une première version de notre carte électronique, à savoir ajouter un micro et une prise jack, choisir les composantes pour un filtre adéquat, et terminer la partie communication avec un ordinateur via USB, en ajoutant une ATMega16u2.

Contrairement à ce que nous pensions faire la semaine précédente, nous avons décidé de partir sur un micro avec ampli intégré (voir liste des composantes). Désormais, lors du câblage de la carte, nous pourrons choisir de passer soit par le micro, puis un filtre, soit par la prise jack + ampli avant de passer par ce même filtre.

En fin de séance, nous avons parler de la possibilité d'utilisé un shield pour passer outre notre STM32 dans l'éventualité où celle-ci ne fonctionnerait pas.

Semaines 3, 4 et 5

Ces trois semaines, nous avons continué à avancer sur la schematic de notre projet. Nous regroupons ces trois séances ici car elles ont toutes consisté à améliorer le schematic jusqu'à en avoir une version 1, que nous allons expliquer ici. Nous avons pu dans un premier temps simplifier notre schematic en constatant que notre STM32 disposait déjà d'un moyen de communication directe en USB. Par conséquent, plus besoin du 16u2 pour passer d'une connexion série à USB. Nous avons également dû mettre à jour des symboles et footprints récupérés sur Internet qui ne correspondent pas forcément avec les traces réelles du composant. Nous avons également modifié certains composants, en fonction des stockes dont disposait l'école. Nous avons changé de voltage regulator par exemple, mais surtout notre microcontrôleur est maintenant un STM32L433CCT6. Pour l'usage que nous souhaitons en faire, il n'a pas de différence fondamentale avec le STM32F411 envisagé de base. Bien que les séries F soient plus orientées traitement du signal, et les séries L plus orientées ultra-basse consommation, nous ne comptions pas utiliser le F411 à son plein potentiel.

Notre schematic se compose alors de deux grandes parties : Le microcontrôleur et ce qui l'entoure, et de l'autre côté la partie entrées, amplification et filtrage du signal. En plus de cela, une partie notre schematic est constituée de headers auquel nous relions certains signaux de notre carte, qui serviront à éventuellement convertir notre carte en shield pour passer outre ce microcontrôleur si celui-ci ne fonctionne pas.

Concernant le microcontrôleur :

Une bonne partie concerne l'alimentation. La partie du haut gère la régulation de 5V à 3.3V entre le port USB et le reste du circuit. Sur le microcontrôleur en lui-même, les ports VDD sont reliés comme nous le conseille la datasheet pour gérer l'alimentation. Le Reset et la Clock sont également reliés selon les conseils de la datasheet. Nous avons consacré 4 pin à diverses LED pour avoir une information visuelle du fonctionnement ou non de nos programmes. Le port PA0 est relié au reste du circuit, c'est lui qui récupèrera l'information générée par nos signaux. C'est un header auquel on pourra relier un signal d'entrée, pour faire divers essais. On a une sortie nommée clk_filter qui est reliée à notre filtre passe-bas pour générer une clock synchrone avec ce dernier. Les autres pin seront reliés à des header, au cas où il nous faudrait leur brancher quelque chose. Cela nous permettra plus de flexibilité lors de nos tests.

Concernant les entrées :

Plusieurs parties sont visibles ici. Beaucoup sont reliées à des header, pour ensuite pouvoir choisir quel composant brancher auquel. D'abord on a un header 3 broches pour y brancher notre microphone + ampli intégré. Ensuite nous avons la prise Jack, dont les sorties sont reliées à un système d'amplification du signal. Ce dernier sort sur un header, que l'on pourra ensuite relier directement au microcontrôleur ou bien faire passer dans un filtre passe-bas à 5 kHz (comme la fréquence la plus haute de notre guitare devrait être vers 1.3kHz, nous pourrons faire en sorte d'éliminer le plus d'harmoniques possibles).

Pause de Février

Pendant les vacances de Février, nous avons commencé à nous renseigner sur les futures parties du projet. Une Nucleo avec F401 nous a été prêtée afin d'appréhender la partie microcontrôleur qui, pour rappel, devra traiter le signal pour en renvoyer une donnée exploitable par le PC. La programmation sur cette carte étant assez différente et plus compliquée qu'une programmation Arduino par exemple, ce qui ne nous a pas facilité la compréhension. De plus, les sources sont plus limitées sur Internet, et proposent beaucoup de façons différentes de programmer sa carte (via STM32Cube, MBed, µVision...). Après quelques heures de recherches et des essais assez peu fructueux, nous avons décidé d'attendre un rendez-vous avec un tuteur pour éclaircir ce point et continuer nos recherches de ce côté.

Par contre, nous avons donc essayé d'avancer sur l'interface graphique de notre logiciel. Même sans avoir de signal d'entrée traité, nous pouvons déjà commencer à appréhender l'interface graphique et décider du langage à utiliser. Nous avons donc décidé d'utiliser le langage Java. Disposant de larges ressources bien documentées (awt et swing), nous pouvons profiter des cours de Java dispensés en SC pour utiliser nos bases et améliorer nos connaissances dans le langage. De plus, une grande communauté et beaucoup d'exemples, de librairies et de tutoriels sont disponibles sur internet, ce qui facilite la tâche.

Pour commencer à prendre en main le fonctionnement de l'interface graphique, nous avons alors décidé de réaliser un programme qui n'est pas le sujet principal de notre projet mais qui devra quand même y figurer : un métronome. Cela nous permet de ne pas travailler avec un signal d'entrée pour l'instant, et de concevoir le premier outil utile à notre logiciel. En effet, l'utilisateur devra forcément travailler avec un métronome car le tempo est très important dans ce projet : il faut que le logiciel sache le tempo choisi par l'utilisateur pour renvoyer ensuite les bonnes notes au bon rythme. De plus, il faut que l'utilisateur ait toujours une base rythmique sous les yeux et/ou dans ses oreilles pour ne pas perdre le rythme au cours de l'enregistrement de son morceau.

Nous avons donc commencé la réalisation d'une fenêtre de métronome, qui indiquerait des cercles de couleur (rouge pour le premier temps, orange pour les autres), et pourquoi pas un signal sonore, en fonction d'un BPM et d'un nombre de temps par mesures choisis. Pour l'instant tout ne fonctionne par parfaitement mais nous avons donc profité des vacances pour débuter cette partie-ci du projet. Nous attendons un rendez-vous avec un tuteur pour valider notre schematic et répondre à nos diverses questions concernant la programmation de la Nucleo.

Semaine 6

Cette semaine, nous avons pris un temps afin de compléter notre Wiki avec plus de détails et de photos, car il ne l'avait pas été depuis quelques semaines. De plus, nous avons fait valider une bonne fois pour toutes notre schematic auprès de Mr.Boé pour débuter la réalisation du PCB.

Nous avons également récupéré des renseignements sur la programmation sur Nucleo, mbed et les différentes sources qui pourraient nous être utiles lors de la phase de programmation à venir. Nous y voyons maintenant plus clair et pourrons débuter l'approche de la réalisation des fonctions voulues au cours des prochaines séances.

Semaine 7

Et bien finalement, nous n'avions pas totalement terminé notre schematic puisque nous avons décidé, après moulte réflexions, d'y ajouter un FTDI. Après avoir dans un premier temps opté pour un 16u2 afin d'effectuer une liaison série, puis l'avoir enlevé pour privilégier l'USB, nous décidons finalement de rajouter un FTDI pour repartir sur une liaison série. La raison étant que nous nous sommes rendus compte que nous trouverions beaucoup plus de programmes documentés, d'API et d'aide si nous passions par l'UART. Ainsi, nous avons rajouté le FTDI et les bonnes connexions pour finaliser notre schematic.

Nous avons alors pu démarrer la réalisation du routage de la carte. Nous avons encore peu avancé car le schamatic a dû être modifié entre temps.

De plus, nous avons commencé à regrouper quelques parties de matériel qui nous seront utiles une fois la carte imprimée. Nous avons alors récupéré un FTDI, notre port USB, notre quartz...

D'un autre côté, nous avons commencé à établir des recherches sur ce qui avait déjà été fait dans le domaine de la musique avec des STM32, plus précisément des cartes Nucleo. De ce fait, nous pourrons dores et déjà espérer obtenir un premier prototype avant même la fin de la réalisation de la carte électronique. Quelques projets ont été repérés, notamment ce projet d'accordeur : [[12]].

Il suffit de remplacer l'envoi des données vers l'écran par un envoi vers l'UART pour récupérer les données traitées sur le PC. Des fonctions semblent avoir déjà été réalisées et un traitement du signal effectué, qui correspond à ce qu'on voudrait également faire.

Nous nous sommes alors dits que nous pourrions, avant de concevoir entièrement le logiciel de partition, partir sur l'idée de cet accordeur puis dans un deuxième temps si nous avons le temps, réaliser l'écriture d'une partition. La séance touchant à sa fin, nous nous sommes alors fixés les objectifs pour la séance à venir : d'un côté terminer le routage du PCB, de l'autre démarrer la réalisation de l'application d'accordeur, maintenant que nous avons acquis des bases en Interface Graphique via Java.