Metrônomo-Afinador Digital Korg TM-50

Estudo teórico-exploratório de um produto embarcado e proposta conceitual de reprodução com ESP32. Disciplina: Fundamentos de Sistemas Embarcados (FSE) - 2026/1

Integrantes do grupo

Sumário

1. Descrição do produto selecionado
2. Análise técnica do funcionamento
3. Proposta de reprodução com ESP32
4. Pesquisa bibliográfica e tecnológica
5. Comparativo com produtos similares
6. Referências bibliográficas

1. Descrição do produto selecionado

O Korg TM-50 é um dispositivo embarcado portátil que combina, em um único aparelho, um afinador cromático e um metrônomo digital. É um produto de baixo custo, alimentado por pilhas, voltado principalmente para o estudo e a prática musical. Pertence à família Korg TM (TM-50, TM-50C com microfone de contato incluso e o sucessor TM-60), uma das linhas mais difundidas de "combo tuner-metronome" do mercado.

1.1. Funções principais

• Afinador cromático: detecta a frequência fundamental de uma nota tocada (por microfone interno ou entrada de áudio P10) e indica, em um mostrador tipo "ponteiro" (needle meter) no LCD, o quão acima ou abaixo da afinação correta a nota está, em cents.
• Metrônomo: gera uma referência rítmica audível e visual, com andamento ajustável e diferentes fórmulas de compasso e subdivisões.
• Uso simultâneo: o grande diferencial da linha TM é permitir usar afinador e metrônomo ao mesmo tempo, de modo independente, algo essencial para o estudo de afinação e ritmo em conjunto.
• Modos de treinamento auditivo: geração de tom de referência (Sound Out) e modo Sound Back, que toca a nota de referência mais próxima da nota tocada, auxiliando o desenvolvimento de percepção de altura (ear training).

1.2. Público-alvo e contexto de uso

• Estudantes de música (sopros, cordas, voz) e professores, em conservatórios, escolas e estudo doméstico.
• Instrumentistas amadores e profissionais que precisam de afinação rápida e prática rítmica em ensaios.
• Contexto típico: prática individual, aulas, aquecimento antes de apresentações e ensaios de grupo.

1.3. Componentes e sensores utilizados

1.4. Tecnologias de comunicação e controle embarcadas

O TM-50 é um dispositivo autônomo e offline: não possui conectividade sem fio (Wi-Fi/Bluetooth). A "comunicação" relevante é interna:

• Aquisição analógica do microfone/entrada P10 e conversão A/D.
• Processamento digital do sinal para detecção de altura (pitch detection).
• Geração de base de tempo precisa para o metrônomo e para a referência de afinação.
• Driver de display e de áudio para realimentação ao usuário.

1.5. Especificações técnicas (resumo)

Fonte: especificações oficiais Korg TM-50 (ver Seção 6).

2. Análise técnica do funcionamento

2.1. Principais módulos do sistema

        ┌───────────────────────────────────────────────────┐
        │                  KORG TM-50                       │
        │                                                   │
  Som ─►│ [Mic eletreto] ─┐                                 │
        │                 ├─► [Cond. analógico + ADC] ─┐    │
 P10 ─► │ [Entrada P10] ──┘                            │    │
        │                                              ▼    │
        │                                  [Controle / DSP] │
        │                              - Pitch detection    │
        │                              - Base de tempo      │ 
        │                              - Máquina de estados │
        │             ┌────────────────────────┼─────┐      │
        │             ▼              ▼               ▼      │
        │        [LCD + ponteiro] [Botões]   [Áudio: alto-  │
        │                                     falante/fone] │
        │                    [Base de Tempo]   [2x AAA]     │
        └───────────────────────────────────────────────────┘

• Sensores / entrada: microfone eletreto interno e entrada P10 (sinal de captador). Etapa analógica de pré-amplificação e filtragem, seguida de conversão A/D.
• Atuadores / saída: LCD (mostrador de ponteiro + dígitos), alto-falante dinâmico e saída de fone, além do backlight.
• Controle: núcleo digital (microcontrolador com bloco de DSP) responsável pela estimação da frequência fundamental, geração do andamento do metrônomo, síntese do tom de referência e máquina de estados da interface.
• Interface: botões de membrana (modo, calibração ±, tempo, tap tempo, seleção de compasso/ritmo) e o LCD.
• Conectividade: ausente por design (dispositivo standalone). O foco é baixo custo, baixo consumo e simplicidade.

2.2. Tecnologias críticas

1. Detecção de altura (pitch detection): é o coração do afinador. A frequência fundamental de um sinal periódico pode ser estimada por métodos no domínio do tempo (autocorrelação, YIN, AMDF, cruzamentos por zero) ou no domínio da frequência (FFT, cepstrum). A precisão de ±1 cent exige boa resolução de frequência e estabilidade da estimativa, especialmente em notas graves (período longo) e em sinais ricos em harmônicos.

2. Base de tempo de precisão (timing): o metrônomo depende de uma base de tempo estável para manter a precisão de andamento especificada pelo fabricante e de temporizadores de hardware para garantir ±0,3 % de precisão de andamento, independentemente do nível de bateria. A mesma referência estável é usada para sintetizar os tons de afinação.

3. Processamento de sinais em tempo real com baixo consumo: todo o pipeline (amostragem, janelamento, estimação de frequência, atualização do display e geração de áudio) precisa rodar continuamente em um microcontrolador de baixíssima potência, alimentado por 2 pilhas AAA, com técnicas de economia de energia (clock reduzido, auto power-off, backlight com desligamento).

4. Conversão A/D e condicionamento analógico: ganho adequado, filtragem anti-aliasing e tratamento de ruído ambiente são críticos para detectar corretamente a fundamental a partir do microfone, mesmo em ambientes com ruído.

5. Síntese de áudio (click e tom de referência): geração de formas de onda (referência senoidal/triangular e click percussivo) por DAC ou PWM, com envelope adequado.

3. Proposta de reprodução com ESP32

A seguir, descrevemos conceitualmente como as duas principais funcionalidades do Korg TM-50 podem ser reproduzidas parcialmente usando uma ESP32 e componentes simples do ecossistema, compatíveis com o ESP-IDF.

Para manter o projeto dentro de um escopo viável, o protótipo funcionará em dois modos separados:

• Modo afinador: capta uma nota musical isolada, estima sua frequência e indica se ela está abaixo, próxima ou acima da afinação esperada;
• Modo metrônomo: produz pulsos sonoros periódicos com andamento configurável.

Não serão reproduzidos o funcionamento simultâneo do afinador e do metrônomo, a entrada P10, os modos Sound Out e Sound Back, a saída para fones nem a alimentação portátil por pilhas.

3.1. Por que a ESP32 é adequada

• Possui capacidade de processamento suficiente para executar uma FFT sobre pequenas janelas de áudio em tempo real.
• O ADC integrado permite a amostragem contínua do sinal produzido por um módulo de microfone analógico.
• O periférico LEDC/PWM pode gerar o sinal utilizado para acionar o buzzer passivo do metrônomo.
• Os temporizadores permitem controlar os intervalos entre as batidas de acordo com o BPM configurado.
• A interface I²C permite a comunicação com uma tela OLED.
• Os GPIOs permitem a leitura do encoder rotativo e de seu botão.
• A biblioteca ESP-DSP oferece funções otimizadas de processamento digital de sinais, incluindo FFT.

A conectividade Wi-Fi e Bluetooth da ESP32 não será utilizada, pois essas tecnologias não são necessárias para reproduzir as funções centrais do Korg TM-50.

3.2. Mapeamento funcional (produto → ESP32 + sensores)

O módulo de som deverá fornecer uma saída analógica que preserve a variação da onda sonora. Módulos que fornecem apenas uma saída digital por limiar ou somente uma medida de intensidade podem não ser adequados para a estimação da frequência.

3.3. Diagrama conceitual (blocos)

                         ┌──────────────────────────────────────┐
   Instrumento ─ som ─►  │ Sensor de som analógico             │
                         │              │                       │
                         │              ▼ ADC                   │
                         │       ┌──────────────────┐           │
   Encoder + Botão  ───► │ GPIO  │      ESP32       │           │
                         │       │    ESP-IDF       │           │
                         │       │                  │           │
                         │       │ - FFT / afinação │           │
                         │       │ - Metrônomo      │           │
                         │       │ - Interface      │           │
                         │       └────────┬─────────┘           │
                         │                │                     │
                         │        ┌───────┴────────┐            │
                         │        ▼                ▼            │
                         │   OLED I2C       Buzzer passivo      │
                         │ Nota / desvio       PWM / click      │
                         │ BPM / modo                          │
                         └──────────────────────────────────────┘
                                          ▲
                                    Alimentação USB

O sensor de som representa o microfone interno do TM-50. O OLED reúne as informações que originalmente aparecem no LCD, enquanto o encoder concentra os controles necessários para alternar os modos e ajustar o BPM.

3.4. Estratégia de implementação (software)

• Aquisição dos Dados: o ADC será utilizado em modo contínuo para coletar uma janela de amostras do sinal analógico produzido pelo microfone. A taxa de amostragem e o tamanho da janela deverão ser definidos por testes, considerando a faixa de notas que se pretende detectar.

• Pré-processamento: antes da análise, será removido o valor médio das amostras. Também poderá ser aplicada uma janela de Hann para reduzir descontinuidades nas extremidades do bloco analisado.

• Afinação:

  • executar a FFT utilizando a biblioteca ESP-DSP;
  • localizar o pico predominante no espectro;
  • estimar a frequência correspondente;
  • comparar a frequência detectada com a frequência da nota musical mais próxima;
  • calcular o desvio aproximado em cents;
  • apresentar no OLED a nota e uma indicação de afinação abaixo, correta ou acima.

O desvio pode ser calculado por:

cents = 1200 × log2(f_detectada / f_referencia)

O valor de referência será calculado considerando o padrão A4 = 440 Hz. A calibração variável entre 410 e 480 Hz, disponível no TM-50, não será reproduzida nesta proposta.

• Metrônomo: o andamento será ajustado pelo encoder. O intervalo entre duas batidas será calculado por:

intervalo = 60 segundos / BPM

Um temporizador controlará os instantes das batidas. A cada intervalo, o periférico LEDC produzirá um sinal PWM de curta duração no buzzer passivo.

• Interface: o botão do encoder alternará entre os modos AFINADOR e METRÔNOMO. No modo metrônomo, a rotação modificará o BPM. No modo afinador, o display apresentará a nota, a frequência estimada e o sentido do desvio.

• Organização do firmware: o software poderá utilizar uma tarefa para aquisição e processamento de áudio, uma tarefa para atualização da interface e um temporizador para o metrônomo. Somente as funções do modo atualmente selecionado permanecerão ativas.

A separação dos modos também evita que o som produzido pelo buzzer do metrônomo seja captado pelo microfone e interfira na identificação da nota.

3.5. Limitações e desafios esperados

• Precisão da afinação: o protótipo não pretende alcançar necessariamente a precisão de ±1 cent do TM-50. Seu objetivo é identificar a nota mais próxima e apresentar uma indicação aproximada do desvio.

• Faixa de detecção: não será assumida a reprodução completa da faixa C1 a C8. A faixa efetiva dependerá da taxa de amostragem, do tamanho da janela, da qualidade do microfone e dos resultados experimentais.

• Ruído ambiente: outros sons próximos podem produzir componentes de frequência e dificultar a identificação da nota tocada.

• ADC da ESP32: ruídos e variações do conversor podem afetar a qualidade das amostras, exigindo filtragem e calibração.

• Metrônomo simplificado: a versão proposta utilizará batidas regulares, sem reproduzir inicialmente as 15 variações rítmicas, os diferentes compassos e a acentuação configurável do TM-50.

• Interface reduzida: o protótipo terá menos botões, configurações e modos que o produto original.

• Alimentação: a alimentação por USB simplifica a reprodução, mas não mantém a portabilidade e a autonomia obtidas pelo produto comercial com duas pilhas AAA.

4. Pesquisa bibliográfica e tecnológica

Foram selecionados 8 artigos científicos, todos de acesso aberto (Open Access), com PDF de download livre (sem login ou assinatura). Diferentemente de trabalhos teóricos abstratos, priorizaram-se artigos diretos e aplicados: 4 sobre as tecnologias que viabilizam o produto (projeto e implementação de afinadores eletrônicos e algoritmos de detecção de altura usados em tuners) e 4 sobre a aplicação/uso do produto (afinador e metrônomo na prática e no ensino musical).

4.1. Artigos sobre as tecnologias do produto

A1. Setyoadi, E. T. (2024). "Fast Fourier Transform for Guitar Tuner Synchronization." Ingénierie des Systèmes d'Information, 29(5), 1881–1890. DOI: 10.18280/isi.290520 · PDF livre (IIETA) Acesso aberto: IIETA.

Descreve o projeto e a implementação de um afinador de violão baseado em FFT: o sinal do instrumento é amostrado, transformado para o domínio da frequência pela FFT, e a frequência dominante é comparada à da nota-alvo para indicar se a corda está acima, abaixo ou afinada. Digamos que é um passo a passo do que ocorre dentro de um afinador como o Korg TM-50, sendo o artigo mais direto e simples do conjunto para entender o funcionamento do tuner.

A2. Branta, A. G.; Martins, E. M.; Quandt, V. I.; Valente, S. A. (2019). "Development of a triple input musical instrument tuner using YIN algorithm." International Journal of Advanced Engineering Research and Science (IJAERS), 6(12), 380–384. DOI: 10.22161/ijaers.612.40 · PDF livre (IJAERS) Acesso aberto: IJAERS (Diamond OA).

Pesquisadores brasileiros (Universidade Positivo) constroem um afinador cromático para vários instrumentos que detecta notas de 27,5 Hz a 4186 Hz usando o algoritmo YIN (autocorrelação). O fluxo é similar ao do TM-50: o microfone capta o som, o algoritmo estima a frequência fundamental e o sistema a compara à escala temperada para dizer se a nota está afinada. Mostra, de forma concreta, por que afinadores comerciais adotam métodos da família autocorrelação/YIN.

A3. Reagan, J.; Morales, A.; Agili, S. (2004). "Real time implementation of a tuning device using a digital signal processor." Proceedings of the 2004 ASEE Annual Conference & Exposition. DOI: 10.18260/1-2--12862 · PDF livre (ASEE PEER) Acesso aberto: repositório ASEE PEER.

Engenheiros da Penn State implementam fisicamente um afinador de violão em um DSP (TI TMS320C5402), percorrendo toda a cadeia: entrada de áudio via ADC, análise de frequência por FFT, identificação da nota e exibição. Discute as escolhas de projeto que definem a precisão de um afinador (taxa de amostragem, resolução de frequência, janelamento). É um modelo prático, em hardware, de arquitetura similar ADC → FFT → comparador presente no TM-50.

A4. Coccoluto, D.; Cesarini, V.; Costantini, G. (2023). "OneBitPitch (OBP): Ultra-High-Speed Pitch Detection Algorithm Based on One-Bit Quantization and Modified Autocorrelation." Applied Sciences, 13(14), 8191. DOI: 10.3390/app13148191 · PDF livre (MDPI) Acesso aberto: MDPI, CC BY 4.0, indexado no DOAJ.

Propõe um algoritmo de detecção de altura (OBP) baseado em quantização de 1 bit e autocorrelação modificada, voltado explicitamente a afinadores e sistemas embarcados (microcontroladores, FPGAs), com altíssima velocidade e baixo custo computacional. Detalha a cadeia completa (amostragem no ADC, janelamento, autocorrelação, identificação da nota), que é exatamente o que o TM-50 executa a cada nota tocada, mostrando como otimizar essa detecção em hardware de baixo consumo.

4.2. Artigos sobre a aplicação / uso do produto

B1. Pardue, L. S.; McPherson, A. (2019). "Real-time aural and visual feedback for improving violin intonation." Frontiers in Psychology, 10, art. 627. DOI: 10.3389/fpsyg.2019.00627 · PDF livre (Frontiers) Acesso aberto: Frontiers, CC BY, indexado no DOAJ.

Estuda se a realimentação de afinação em tempo real (um mostrador estilo afinador, que indica o erro de altura instantaneamente) ajuda estudantes iniciantes de violino a tocar mais afinado durante a prática solo, sem professor presente. Valida diretamente o uso pedagógico de afinadores no estilo do TM-50: o ponteiro/display dá ao aluno a referência visual imediata que permite a autocorreção da entoação.

B2. Acquilino, A.; Scavone, G. (2022). "Current state and future directions of technologies for music instrument pedagogy." Frontiers in Psychology, 13, art. 835609. DOI: 10.3389/fpsyg.2022.835609 · PDF livre (Frontiers) Acesso aberto: Frontiers, CC BY, indexado no DOAJ.

Levantamento (McGill University) das tecnologias de apoio ao aprendizado de instrumentos, da diapasão (1711) e do metrônomo (Maelzel, 1815) até os softwares atuais. Aponta que a maior parte das ferramentas de prática se baseia justamente em metrônomo e afinador, e revisa as evidências de seus benefícios.

B3. Blanco, A. D.; Ramírez, R. (2019). "Evaluation of a sound quality visual feedback system for bow learning technique in violin beginners: An EEG study." Frontiers in Psychology, 10, art. 165. DOI: 10.3389/fpsyg.2019.00165 · PDF livre (Frontiers) Acesso aberto: Frontiers, CC BY, indexado no DOAJ.

Desenvolve um sistema de realimentação visual em tempo real sobre a qualidade do som (altura, dinâmica, timbre) e o testa com 18 iniciantes de violino divididos em grupo experimental (com feedback) e controle. O grupo com feedback visual melhorou mais rápido e ficou mais engajado. Confirma o princípio por trás do ponteiro do TM-50: a realimentação visual de um aparelho de análise sonora acelera o aprendizado ao dar ao iniciante uma referência objetiva que seu ouvido ainda não fornece.

B4. Arthur, P.; Khuu, S.; Blom, D. (2016). "A Preliminary Study: Is the Metronome Harmful or Helpful?" Australian Journal of Music Education, 50(2), 71–82. ERIC: EJ1146312 · PDF livre (ERIC) Acesso aberto: revista de educação musical; texto completo gratuito na base ERIC.

Estudo empírico com pianistas (experts e não-experts) usando metrônomo durante leitura à primeira vista. Conclui que andamentos excessivamente rápidos prejudicam leitores menos habilidosos, mas o uso moderado traz benefícios, sobretudo a estudantes mais experientes. Trata diretamente do uso do metrônomo na educação musical, oferecendo um olhar crítico e prático sobre como a função de metrônomos, como o TM-50, devem ser empregadas no estudo.

5. Comparativo com produtos similares

A tabela abaixo compara o Korg TM-50 com produtos da mesma categoria (afinadores/metrônomos), de diferentes fabricantes e gerações.

5.1. Análise do comparativo

• Korg TM-50 vs TM-60: mesma plataforma funcional; o TM-60 melhora display, interface e autonomia, sendo a evolução direta na linha TM.
• vs Boss TU-80: o Boss é forte como afinador (função Accu-Pitch de confirmação), mas o metrônomo é mais simples e a calibração A4 é mais estreita (438–445 Hz) que a do TM-50 (410–480 Hz).
• vs Yamaha TDM-700: concorrente mais direto, com especificações muito próximas (combo afinador+metrônomo simultâneo, C1–C8, 30–252 BPM).
• vs Seiko SQ50-V e Korg MA-2: representam a categoria "apenas metrônomo"; servem de referência histórica/funcional, mostrando o valor agregado de integrar afinador e metrônomo num só aparelho, como faz a linha TM.

6. Referências bibliográficas

6.1. Documentação do produto e produtos relacionados

1. KORG. TM-50: Combo Tuner Metronome, Specifications. Disponível em: https://www.korg.com/us/products/tuners/tm_50/page_3.php. Acesso em: jun. 2026.
2. KORG. TM-50: Combo Tuner Metronome. Disponível em: https://www.korg.com/us/products/tuners/tm_50/. Acesso em: jun. 2026.
3. KORG. TM-60: Combo Tuner Metronome. Disponível em: https://www.korg.com/us/products/tuners/tm_60/. Acesso em: jun. 2026.
4. KORG. MA-2: Metronome. Disponível em: https://www.korg.com/us/products/tuners/ma_2/. Acesso em: jun. 2026.
5. ROLAND/BOSS. TU-80: Tuner & Metronome. Disponível em: https://www.boss.info/global/products/tu-80/. Acesso em: jun. 2026.
6. YAMAHA. TDM-700: Tuner/Metronome. Documentação do fabricante. Acesso em: jun. 2026.
7. ESPRESSIF. ESP32 Technical Reference Manual e ESP-IDF / esp-dsp documentation. Disponível em: https://docs.espressif.com/. Acesso em: jun. 2026.

6.2. Artigos científicos (todos de acesso aberto)

1. SETYOADI, E. T. Fast Fourier Transform for Guitar Tuner Synchronization. Ingénierie des Systèmes d'Information, v. 29, n. 5, p. 1881–1890, 2024. DOI: 10.18280/isi.290520. PDF: https://www.iieta.org/download/file/fid/145246.
2. BRANTA, A. G.; MARTINS, E. M.; QUANDT, V. I.; VALENTE, S. A. Development of a triple input musical instrument tuner using YIN algorithm. International Journal of Advanced Engineering Research and Science (IJAERS), v. 6, n. 12, p. 380–384, 2019. DOI: 10.22161/ijaers.612.40. PDF: https://ijaers.com/uploads/issue_files/40IJAERS-12201925-Development.pdf.
3. REAGAN, J.; MORALES, A.; AGILI, S. Real time implementation of a tuning device using a digital signal processor. In: Proceedings of the 2004 ASEE Annual Conference & Exposition, 2004. DOI: 10.18260/1-2--12862. PDF: https://peer.asee.org/12862.pdf.
4. COCCOLUTO, D.; CESARINI, V.; COSTANTINI, G. OneBitPitch (OBP): Ultra-High-Speed Pitch Detection Algorithm Based on One-Bit Quantization and Modified Autocorrelation. Applied Sciences, v. 13, n. 14, art. 8191, 2023. DOI: 10.3390/app13148191. PDF: https://www.mdpi.com/2076-3417/13/14/8191/pdf.
5. PARDUE, L. S.; McPHERSON, A. Real-time aural and visual feedback for improving violin intonation. Frontiers in Psychology, v. 10, art. 627, 2019. DOI: 10.3389/fpsyg.2019.00627. PDF: https://www.frontiersin.org/journals/psychology/articles/10.3389/fpsyg.2019.00627/pdf.
6. ACQUILINO, A.; SCAVONE, G. Current state and future directions of technologies for music instrument pedagogy. Frontiers in Psychology, v. 13, art. 835609, 2022. DOI: 10.3389/fpsyg.2022.835609. PDF: https://www.frontiersin.org/journals/psychology/articles/10.3389/fpsyg.2022.835609/pdf.
7. BLANCO, A. D.; RAMÍREZ, R. Evaluation of a sound quality visual feedback system for bow learning technique in violin beginners: An EEG study. Frontiers in Psychology, v. 10, art. 165, 2019. DOI: 10.3389/fpsyg.2019.00165. PDF: https://www.frontiersin.org/journals/psychology/articles/10.3389/fpsyg.2019.00165/pdf.
8. ARTHUR, P.; KHUU, S.; BLOM, D. A Preliminary Study: Is the Metronome Harmful or Helpful? Australian Journal of Music Education, v. 50, n. 2, p. 71–82, 2016. Texto completo (ERIC, EJ1146312): https://files.eric.ed.gov/fulltext/EJ1146312.pdf.