Zephyr no ESP32: ADC Contínuo com DMA, VAD e Processamento de Sinais em Tempo Real

Visão geral da solução no Zephyr para ESP32: ADC contínuo (DMA), VAD e pipeline produtor/consumidor

Quando você tenta fazer “captura de ruidos como da magnectostricção” a partir de ADC no ESP32 com o Zephyr, aparecem três problemas clássicos ao mesmo tempo:

1. aquisição contínua em alta taxa (idealmente com DMA para não “matar” a CPU),
2. delimitação de trechos úteis (detectar início/fim de fala para não processar silêncio), e
3. processamento em tempo real (calcular alguma métrica — aqui, a frequência principal — e jogar na UART).

A arquitetura mais robusta para isso, no mundo de sistemas em tempo real, é separar responsabilidades em threads com um canal bem definido de troca de dados (fila/ring buffer), exatamente o tipo de organização que livros de padrões para sistemas em tempo real tratam como base de escalabilidade e diagnósticos previsíveis.

O ponto crítico: “Zephyr puro” vs “driver contínuo do ESP-IDF”

O Zephyr tem um caminho bem canônico para ADC via DeviceTree + ADC API (por exemplo o sample adc_dt) (docs.zephyrproject.org) e possui binding específico para ADC do ESP32 (espressif,esp32-adc) (docs.zephyrproject.org). Isso resolve bem leituras “por amostra” e configurações padrão.

Só que voz por ADC normalmente pede stream contínuo, e no ecossistema Espressif a forma “oficial” para isso é o ADC Continuous Mode driver, que foi desenhado para conversões contínuas e leitura de resultados em buffer (tipicamente alimentado por DMA) (Espressif Systems). Na prática, para cumprir o requisito (“leitura contínua por DMA do ADC”), o caminho mais realista é:

• usar Zephyr como RTOS (threads, filas, logging/uart), mas
• usar o driver de ADC contínuo do ESP-IDF por baixo (como “módulo”/componente), expondo para o Zephyr uma API de aquisição contínua.

Isso evita reinventar o mecanismo de aquisição contínua e te dá taxas estáveis.

VAD no ESP32: duas realidades (hardware x software)

Aqui há uma nuance importante:

• ESP32-P4 tem módulo VAD em hardware documentado pela Espressif (Espressif Systems). Nesse caso, faz sentido “delimitar stream” com evento/flag do próprio periférico.
• Em vários outros ESP32 (ex.: ESP32 clássico, S3, etc.), é comum usar VAD por software vindo do ecossistema de áudio/speech da Espressif (ex.: ESP-SR/ADF). Há documentação de VAD em software no contexto dessas libs (espressif-docs.readthedocs-hosted.com).

Eu vou estruturar como se fosse uma pipeline genérica onde o “VAD” é um bloco que produz eventos VOICE_START/VOICE_END. A implementação desse bloco pode ser:

• hardware VAD (se for ESP32-P4), ou
• software VAD (ESP-SR/ADF) quando o chip não oferecer o periférico.

Pipeline proposta (alto nível)

A solução fica muito limpa com duas threads e um “canal” entre elas:

1. Thread Produtora (adc_stream_thread)
   • Inicializa ADC contínuo (driver do ESP-IDF) e começa a receber “frames” (blocos) de amostras.
   • Alimenta o bloco de VAD (hardware ou software).
   • Quando o VAD indicar fala ativa, empacota blocos de amostras e envia para a fila/ring buffer do consumidor.
   • Quando indicar fim da fala, envia um “marcador” (metadado) de fim de stream.
2. Thread Consumidora (dsp_uart_thread)
   • Recebe blocos do stream “recortado” pelo VAD.
   • Acumula um buffer mínimo (janela) e calcula a frequência principal (pitch/peak espectral) e imprime na UART.

Essa separação é a base para desempenho e previsibilidade: a thread de aquisição não fica “presa” em FFT/Goertzel; a thread de DSP não perde amostra porque alguém resolveu imprimir logs demais.

Onde o DeviceTree entra (mesmo usando ADC contínuo do ESP-IDF)

Mesmo que o “motor” de aquisição contínua venha do ESP-IDF, você ainda quer o DeviceTree como fonte única de verdade para:

• qual ADC está ativo,
• quais canais/pinos estão habilitados,
• ganho/atenuação/resolução,
• e a UART de saída (console).

O Zephyr já tem binding do ADC do ESP32 (docs.zephyrproject.org) e o modelo de amostragem por DT é bem estabelecido no sample adc_dt (docs.zephyrproject.org). A ideia prática é: o DT descreve os canais, e o o código traduz isso para a configuração do driver contínuo.

Na próxima seção), eu vou te entregar:

• um overlay .overlay de exemplo configurando ADC e um “nó” de aplicação com io-channels,
• o esqueleto completo das duas threads (produtor/consumidor) com filas,
• e o desenho do contrato de mensagens (bloco de amostras + eventos VAD).