基于STM32的數(shù)字加密錄音筆設(shè)計

隨著電子產(chǎn)品對數(shù)字信號處理技術(shù)的需求廣泛應(yīng)用，語音信息的保密性也成為信息處理領(lǐng)域的一個重要研究方向。模擬音頻信號的數(shù)字化過程包括采樣、量化和編碼等，數(shù)字信號具有抗干擾能力強、信號動態(tài)范圍大(S/N >90 dB)以及可進行數(shù)據(jù)壓縮的特點。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加密算法對接收到的音頻數(shù)據(jù)進行實時加密，加密后的語音數(shù)據(jù)存儲到外部SD卡中，并可將語音文件通過USB接口傳輸?shù)接嬎銠C進行解密處理。文中設(shè)計完成了數(shù)字錄音模塊和STM32外圍配置的硬件電路;PCB布局布線;編寫加密錄音筆軟件，實現(xiàn)了數(shù)字錄音筆的數(shù)據(jù)加密與數(shù)據(jù)存儲功能。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

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)模擬音頻信號捕獲和信號采樣、量化以及編碼處理;處理器模塊實現(xiàn)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的加密運算、數(shù)據(jù)存儲以及系統(tǒng)的整體控制。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計框圖

語音信號通過麥克風(fēng)輸入后進行數(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SPI接口實時傳輸?shù)絊TM32進行加密處理，并將加密后的密文數(shù)據(jù)通過另一個SPI接口存儲到外部容量為2 GB的SD卡中。

2 硬件電路設(shè)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(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BOO了[1：0]引腳選擇3種不同的啟動模式，系統(tǒng)使用主閃存存儲模式，即主閃存存儲器被選為啟動區(qū)域;系統(tǒng)時鐘采用8 MHz內(nèi)部時鐘經(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為從主機到目標(biāo)的時鐘信號;SWDIO為雙向數(shù)據(jù)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(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卡，具有容量大、性能高、安全性強等優(yōu)點。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USB從控制器，符合USB通信連接規(guī)范。USB傳輸所需的48 MHz時鐘由內(nèi)部系統(tǒng)時鐘提供，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)字錄音單元通過對輸入的模擬音頻信號進行低通濾波、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UART口以及4個通用IO口;同時片內(nèi)帶有一個立體聲DAC以及一個可變采樣率的ADC。

輸入模擬音頻信號經(jīng)LINE_IN引腳輸入到VS1003進行A/D采樣，量化和ADPCM編碼，并通過SPI通信協(xié)議與STM32主控制器進行數(shù)據(jù)與控制信號的傳輸。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時鐘作為主時鐘，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信號提供錄音芯片的硬件復(fù)位，當(dāng)XRESET為低時，VS1003處于復(fù)位狀態(tài)。系統(tǒng)通電或硬件復(fù)位后，主機通過對各硬件寄存器的設(shè)置來實現(xiàn)對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進行供電，使用CN3052充電電路對鋰電池充電。CN3052A是對單節(jié)鋰離子或鋰-聚合物可充電電池進行恒流/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

錄音系統(tǒng)的軟件程序包括加密錄音程序和上位機解密程序。加密錄音過程為，首先對VS1003語音芯片進行初始化配置，設(shè)定錄音參數(shù)，通過計數(shù)器計數(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)并進行數(shù)據(jù)加密處理，隨后再保存為WAV文件。上位機解密軟件通過計算機對加密錄音文件進行解密處理。加密錄音流程如圖7(a)所示。

圖7 軟件設(shè)計流程圖

3.1 底層驅(qū)動程序

S7M32控制器通過SPI接口對VS1003錄音芯片進行寄存器配置，然后進行數(shù)字音頻數(shù)據(jù)的傳輸，經(jīng)加密處理后將數(shù)據(jù)存儲到SD卡中，上位機通過USB接口直接對存儲器進行讀寫操作，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開發(fā)工具集提供了完整且經(jīng)過認(rèn)證的固件包，從而可輕易實現(xiàn)對各類USB固件的開發(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

為滿足實時加密的要求，本文采用基于TEA的加密算法。TEA是一種小型的對稱加解密算法，支持128位密鑰，該加密算法的優(yōu)點是速度快、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，通過對加密算法的更改，可一次加密512 Byte，符合Flash一頁扇區(qū)的存儲大小。TEA加密算法通過加密輪數(shù)來保證數(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)進行分組，得到每組32 bit，共128組的數(shù)組V0，V1，…，V127，并對128位密鑰進行分組得到4組32 bit的數(shù)組K0，K1，K2，K3，然后將每組數(shù)據(jù)Vj進行加MX運算，共進行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算，對加密后的wav文件進行解密處理，本文使用C#編寫解密界面。

4 實驗仿真

打開電源開關(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，語音播放時呈噪音狀態(tài)，解密后的音頻文件聲音還原性良好。

5 結(jié)束語

系統(tǒng)使用VS1003、STM32等器件實現(xiàn)一鍵錄音加密錄音筆的設(shè)計，USB從控制器與PC機進行通信，實現(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。