基于STM32的加密錄音筆設計

摘要 在STM32平臺上采用TEA微型加密算法實(shí)現了數字加密錄音筆的設計，其中模擬音頻信號通過(guò)低通濾波器和放大器處理后，進(jìn)行A/D轉換和ADPCM編碼，STM32主控制器對編碼數據進(jìn)行加密以及存儲操作。同時(shí)通過(guò)對加密錄音筆進(jìn)行測試和分析，表明系統錄音過(guò)程穩定可靠、加密效果良好，且達到了設計要求。

隨著(zhù)電子產(chǎn)品對數字信號處理技術(shù)的需求廣泛應用，語(yǔ)音信息的保密性也成為信息處理領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。模擬音頻信號的數字化過(guò)程包括采樣、量化和編碼等，數字信號具有抗干擾能力強、信號動(dòng)態(tài)范圍大(S/N>90 dB)以及可進(jìn)行數據壓縮的特點(diǎn)。數據加密是由加密密鑰和加密算法將明文數據轉化為沒(méi)有固定意義的密文;數據解密即是由解密密鑰和解密算法將密文恢復為明文。

系統使用基于A(yíng)RM內核的STM32處理器執行加密算法和系統的協(xié)作控制。采用TEA加密算法對接收到的音頻數據進(jìn)行實(shí)時(shí)加密，加密后的語(yǔ)音數據存儲到外部SD卡中，并可將語(yǔ)音文件通過(guò)USB接口傳輸到計算機進(jìn)行解密處理。文中設計完成了數字錄音模塊和STM32外圍配置的硬件電路;PCB布局布線(xiàn);編寫(xiě)加密錄音筆軟件，實(shí)現了數字錄音筆的數據加密與數據存儲功能。

1 系統整體設計

系統硬件電路主要分為數字錄音模塊和STM32處理器模塊兩部分，如圖1所示。數字錄音模塊負責模擬音頻信號捕獲和信號采樣、量化以及編碼處理;處理器模塊實(shí)現數字數據的加密運算、數據存儲以及系統的整體控制。

語(yǔ)音信號通過(guò)麥克風(fēng)輸入后進(jìn)行數字錄音，數字錄音電路包括濾波器網(wǎng)絡(luò )、增益放大和語(yǔ)音處理3部分。由于系統要求盡可能減小PCB板面積，所以本文選擇能同時(shí)滿(mǎn)足增益放大、A/D采樣以及編碼處理的錄音芯片VS1003。STM32處理器模塊負責加密算法的執行和系統的協(xié)作控制。VS1003將采集到的數據通過(guò)SPI接口實(shí)時(shí)傳輸到STM32進(jìn)行加密處理，并將加密后的密文數據通過(guò)另一個(gè)SPI接口存儲到外部容量為2 GB的SD卡中。

2 硬件電路設計

2.1 STM32處理器電路

2.1.1 主控芯片配置電路

主控芯片使用STM公司的STM32F103C6T6控制器，該系列32位閃存微控制器使用ARM公司具有突破性的Cortrex-M3內核，Cortex-M3內核基于哈佛架構，指令總線(xiàn)和數據總線(xiàn)相互獨立，使STM32的性能得到明顯提高，并在大幅提高了應用程序的執行速度。

STM32通過(guò)BOO了[1：0]引腳選擇3種不同的啟動(dòng)模式，系統使用主閃存存儲模式，即主閃存存儲器被選為啟動(dòng)區域;系統時(shí)鐘采用8 MHz內部時(shí)鐘經(jīng)內部倍頻為48 MHz。STM32支持兩種調試接口(SWJ)：SW調試和JTAG調試，且SW調試和JTAG調試的部分引腳是復用的。本文采用SW(同步串行協(xié)議)調試：SWCLK為從主機到目標的時(shí)鐘信號;SWDIO為雙向數據信號;SWDIO為雙向接口，需接100 kΩ的上拉電阻。STM32主控芯片的配置結構如圖2所示。

2.1.2 SD卡存儲電路

安全數碼卡(Secure Digital Memory Card，SD)是基于半導體快閃記憶器的多功能存儲卡，具有容量大、性能高、安全性強等優(yōu)點(diǎn)。SD卡支持3種傳輸模式：SPI模式、1位SD模式以及4位SD模式，文中使用SPI傳輸模式與STM32主控制器進(jìn)行通信，SD卡與STM32的連接如圖3所示。

2.1.3 USB通信電路

STM32處理器內部自帶一個(gè)USB從控制器，符合USB通信連接規范。USB傳輸所需的48 MHz時(shí)鐘由內部系統時(shí)鐘提供，USB接口電壓由+5 V供電。其接口電路連接圖如圖4所示。

2.2 數字錄音電路

數字錄音單元通過(guò)對輸入的模擬音頻信號進(jìn)行低通濾波、增益放大以及采樣、量化和ADPCM編碼處理，輸出數字音頻數據。VS1003是VLSI公司的一款支持MP3/WMA/MIDI音頻編解碼和ADPCM編碼的芯片，內置一個(gè)高性能、低功耗的DSP處理器內核，具有5 kB的指令RAM，0.5 kB的數據RAM，串行控制/數據輸入接口，1個(gè)UART口以及4個(gè)通用IO口;同時(shí)片內帶有一個(gè)立體聲DAC以及一個(gè)可變采樣率的ADC。

輸入模擬音頻信號經(jīng)LINE_IN引腳輸入到VS1003進(jìn)行A/D采樣，量化和ADPCM編碼，并通過(guò)SPI通信協(xié)議與STM32主控制器進(jìn)行數據與控制信號的傳輸。錄音電路與STM32的連接電路如圖5所示。

VS1003芯片由外部晶振提供12.288 MHz時(shí)鐘作為主時(shí)鐘，如圖5所示。錄音芯片由系統電源模塊供電，所需2.5 V模擬電壓、3.3 V數字電壓以及3.3 V模擬電壓，由AMS1117線(xiàn)性電源模塊提供。XRESET信號提供錄音芯片的硬件復位，當XRESET為低時(shí)，VS1003處于復位狀態(tài)。系統通電或硬件復位后，主機通過(guò)對各硬件寄存器的設置來(lái)實(shí)現對錄音芯片錄音模式和具體參數的設定。

2.3 供電電路

系統由外部電源或鋰電池供電，采用數字5 V進(jìn)行供電，使用CN3052充電電路對鋰電池充電。CN3052A是對單節鋰離子或鋰-聚合物可充電電池進(jìn)行恒流/恒壓充電的充電器電路，其只需較少的外圍器件，且符合USB總線(xiàn)技術(shù)規范。充電模塊電路如圖6所示。

3 錄音筆軟件設計

錄音系統的軟件程序包括加密錄音程序和上位機解密程序。加密錄音過(guò)程為，首先對VS1003語(yǔ)音芯片進(jìn)行初始化配置，設定錄音參數，通過(guò)計數器計數值為文件名，創(chuàng )建WAV頭文件，讀取SPI接口采集的數字音頻數據并進(jìn)行數據加密處理，隨后再保存為WAV文件。上位機解密軟件通過(guò)計算機對加密錄音文件進(jìn)行解密處理。加密錄音流程如圖7(a)所示。

3.1 底層驅動(dòng)程序

S7M32控制器通過(guò)SPI接口對VS1003錄音芯片進(jìn)行寄存器配置，然后進(jìn)行數字音頻數據的傳輸，經(jīng)加密處理后將數據存儲到SD卡中，上位機通過(guò)USB接口直接對存儲器進(jìn)行讀寫(xiě)操作，以方便加密錄音文件的拷貝。系統使用VS1003，采樣率為8 kHz，采樣位數為16 bit，其配置流程如圖7(b)所示。STM32為USB開(kāi)發(fā)工具集提供了完整且經(jīng)過(guò)認證的固件包，從而可輕易實(shí)現對各類(lèi)USB固件的開(kāi)發(fā)。其中包括：用于普通設備管理任務(wù)的控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸以及同步傳輸。USB接口配置流程如圖7(c)所示。

3.2 TEA加密程序

為滿(mǎn)足實(shí)時(shí)加密的要求，本文采用基于TEA的加密算法。TEA是一種小型的對稱(chēng)加解密算法，支持128位密鑰，該加密算法的優(yōu)點(diǎn)是速度快、效率高。為避免for循環(huán)和除法運算，采用升級版的TEA加密算法，通過(guò)對加密算法的更改，可一次加密512 Byte，符合Flash一頁(yè)扇區的存儲大小。TEA加密算法通過(guò)加密輪數來(lái)保證數據的可靠性，程序采用12輪加密，故具有較高的可靠性。

算法的主要思想是將輸入的512 Byte明文數據進(jìn)行分組，得到每組32 bit，共128組的數組V0，V1，…，V127，并對128位密鑰進(jìn)行分組得到4組32 bit的數組K0，K1，K2，K3，然后將每組數據Vj進(jìn)行加MX運算，共進(jìn)行128次，完成一輪加密。密鑰常量設置為

unsigned char TEA_key[16]={0x01，0x02，0x03，0x04，0x05，0x06，0x07，0x08，0x09，0x0A，0x0B，0x0C，0x0D，0x0E，0x0F，0x10};

TEA加密算法流程如圖8所示。

其中，Delta的初始值為0x9E3779B9，Delta值的不斷變化使得每輪的加密均有所不同。TEA解密算法是加密的逆運算，對加密后的wav文件進(jìn)行解密處理，本文使用C#編寫(xiě)解密界面。

4 實(shí)驗仿真

打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，狀態(tài)指示燈閃爍一次;使用錄音中間“一鍵錄音”按鍵，錄音指示燈常亮;再次按鍵時(shí)錄音指示燈熄滅，停止錄音。本文使用音頻處理軟件Cool Edit Pro進(jìn)行波形觀(guān)察，加密的錄音源文件和解密后的波形文件如圖9所示。

通過(guò)音頻信號的波形對比可看出，加密后的音頻信號波形是完全隨機的亂碼，語(yǔ)音播放時(shí)呈噪音狀態(tài)，解密后的音頻文件聲音還原性良好。

5 結束語(yǔ)

系統使用VS1003、STM32等器件實(shí)現一鍵錄音加密錄音筆的設計，USB從控制器與PC機進(jìn)行通信，實(shí)現數據傳輸。數字錄音技術(shù)是現代數字信號處理的重要組成部分，其融合了音頻數據采集與傳輸、音頻數據處理以及嵌入式等多種技術(shù)，具有廣闊的應用前景。