基于STM32的數(shù)字加密錄音筆設(shè)計(jì)

隨著電子產(chǎn)品對(duì)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的需求廣泛應(yīng)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(hào)的數(shù)字化過(guò)程包括采樣、量化和編碼等，數(shù)字信號(hào)具有抗干擾能力強(qiáng)、信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大(S/N >90 dB)以及可進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮的特點(diǎn)。數(shù)據(jù)加密是由加密密鑰和加密算法將明文數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為沒(méi)有固定意義的密文;數(shù)據(jù)解密即是由解密密鑰和解密算法將密文恢復(fù)為明文。

系統(tǒng)使用基于ARM內(nèi)核的STM32處理器執(zhí)行加密算法和系統(tǒng)的協(xié)作控制。采用TEA加密算法對(duì)接收到的音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)加密，加密后的語(yǔ)音數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到外部SD卡中，并可將語(yǔ)音文件通過(guò)USB接口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行解密處理。文中設(shè)計(jì)完成了數(shù)字錄音模塊和STM32外圍配置的硬件電路;PCB布局布線;編寫(xiě)加密錄音筆軟件，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字錄音筆的數(shù)據(jù)加密與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路主要分為數(shù)字錄音模塊和STM32處理器模塊兩部分，如圖1所示。數(shù)字錄音模塊負(fù)責(zé)模擬音頻信號(hào)捕獲和信號(hào)采樣、量化以及編碼處理;處理器模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的加密運(yùn)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及系統(tǒng)的整體控制。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)麥克風(fēng)輸入后進(jìn)行數(shù)字錄音，數(shù)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(tǒng)要求盡可能減小PCB板面積，所以本文選擇能同時(shí)滿足增益放大、A/D采樣以及編碼處理的錄音芯片VS1003。STM32處理器模塊負(fù)責(zé)加密算法的執(zhí)行和系統(tǒng)的協(xié)作控制。VS1003將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)SPI接口實(shí)時(shí)傳輸?shù)絊TM32進(jìn)行加密處理，并將加密后的密文數(shù)據(jù)通過(guò)另一個(gè)SPI接口存儲(chǔ)到外部容量為2 GB的SD卡中。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

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(nèi)核，Cortex-M3內(nèi)核基于哈佛架構(gòu)，指令總線和數(shù)據(jù)總線相互獨(dú)立，使STM32的性能得到明顯提高，并在大幅提高了應(yīng)用程序的執(zhí)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(tǒng)使用主閃存存儲(chǔ)模式，即主閃存存儲(chǔ)器被選為啟動(dòng)區(qū)域;系統(tǒng)時(shí)鐘采用8 MHz內(nèi)部時(shí)鐘經(jīng)內(nèi)部倍頻為48 MHz。STM32支持兩種調(diào)試接口(SWJ)：SW調(diào)試和JTAG調(diào)試，且SW調(diào)試和JTAG調(diào)試的部分引腳是復(fù)用的。本文采用SW(同步串行協(xié)議)調(diào)試：SWCLK為從主機(jī)到目標(biāo)的時(shí)鐘信號(hào);SWDIO為雙向數(shù)據(jù)信號(hào);SWDIO為雙向接口，需接100 kΩ的上拉電阻。STM32主控芯片的配置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 STM32主控芯片配置圖

2.1.2 SD卡存儲(chǔ)電路

安全數(shù)碼卡(Secure Digital Memory Card，SD)是基于半導(dǎo)體快閃記憶器的多功能存儲(chǔ)卡，具有容量大、性能高、安全性強(qiáng)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。

圖3 SD卡連接圖

2.1.3 USB通信電路

STM32處理器內(nèi)部自帶一個(gè)USB從控制器，符合USB通信連接規(guī)范。USB傳輸所需的48 MHz時(shí)鐘由內(nèi)部系統(tǒng)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。

圖4 USB接口電路圖

2.2 數(shù)字錄音電路

數(shù)字錄音單元通過(guò)對(duì)輸入的模擬音頻信號(hào)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(shù)字音頻數(shù)據(jù)。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(nèi)置一個(gè)高性能、低功耗的DSP處理器內(nèi)核，具有5 kB的指令RAM，0.5 kB的數(shù)據(jù)RAM，串行控制/數(shù)據(jù)輸入接口，1個(gè)UART口以及4個(gè)通用IO口;同時(shí)片內(nèi)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(hào)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(shù)據(jù)與控制信號(hào)的傳輸。錄音電路與STM32的連接電路如圖5所示。

圖5 VS1003電路連接圖

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(tǒng)電源模塊供電，所需2.5 V模擬電壓、3.3 V數(shù)字電壓以及3.3 V模擬電壓，由AMS1117線性電源模塊提供。XRESET信號(hào)提供錄音芯片的硬件復(fù)位，當(dāng)XRESET為低時(shí)，VS1003處于復(fù)位狀態(tài)。系統(tǒng)通電或硬件復(fù)位后，主機(jī)通過(guò)對(duì)各硬件寄存器的設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)錄音芯片錄音模式和具體參數(shù)的設(shè)定。

2.3 供電電路

系統(tǒng)由外部電源或鋰電池供電，采用數(shù)字5 V進(jìn)行供電，使用CN3052充電電路對(duì)鋰電池充電。CN3052A是對(duì)單節(jié)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總線技術(shù)規(guī)范。充電模塊電路如圖6所示。

圖6 充電模塊電路圖

圖6 充電模塊電路圖

3 錄音筆軟件設(shè)計(jì)

錄音系統(tǒng)的軟件程序包括加密錄音程序和上位機(jī)解密程序。加密錄音過(guò)程為，首先對(duì)VS1003語(yǔ)音芯片進(jìn)行初始化配置，設(shè)定錄音參數(shù)，通過(guò)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值為文件名，創(chuàng)建WAV頭文件，讀取SPI接口采集的數(shù)字音頻數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)加密處理，隨后再保存為WAV文件。上位機(jī)解密軟件通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)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。

圖7 軟件設(shè)計(jì)流程圖

3.1 底層驅(qū)動(dòng)程序

S7M32控制器通過(guò)SPI接口對(duì)VS1003錄音芯片進(jìn)行寄存器配置，然后進(jìn)行數(shù)字音頻數(shù)據(jù)的傳輸，經(jīng)加密處理后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD卡中，上位機(jī)通過(guò)USB接口直接對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)操作，以方便加密錄音文件的拷貝。系統(tǒng)使用VS1003，采樣率為8 kHz，采樣位數(shù)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(rèn)證的固件包，從而可輕易實(shí)現(xiàn)對(duì)各類USB固件的開(kāi)發(fā)。其中包括：用于普通設(shè)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(duì)稱加解密算法，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(yùn)算，采用升級(jí)版的TEA加密算法，通過(guò)對(duì)加密算法的更改，可一次加密512 Byte，符合Flash一頁(yè)扇區(qū)的存儲(chǔ)大小。TEA加密算法通過(guò)加密輪數(shù)來(lái)保證數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進(jìn)行分組，得到每組32 bit，共128組的數(shù)組V0，V1，…，V127，并對(duì)128位密鑰進(jìn)行分組得到4組32 bit的數(shù)組K0，K1，K2，K3，然后將每組數(shù)據(jù)Vj進(jìn)行加MX運(yùn)算，共進(jìn)行128次，完成一輪加密。密鑰常量設(shè)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。

圖8 TEA加密算法流程圖

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(yùn)算，對(duì)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(yàn)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)行波形觀察，加密的錄音源文件和解密后的波形文件如圖9所示。

圖9 音頻文件波形圖

通過(guò)音頻信號(hào)的波形對(duì)比可看出，加密后的音頻信號(hào)波形是完全隨機(jī)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(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)使用VS1003、STM32等器件實(shí)現(xiàn)一鍵錄音加密錄音筆的設(shè)計(jì)，USB從控制器與PC機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)字錄音技術(shù)是現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理的重要組成部分，其融合了音頻數(shù)據(jù)采集與傳輸、音頻數(shù)據(jù)處理以及嵌入式等多種技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。