根据STM32的数字加密录音笔规划

跟着电子产品对数字信号处理技能的需求广泛使用，语音信息的保密性也成为信息处理范畴的一个重要研讨方向。模仿音频信号的数字化进程包含采样、量化和编码等，数字信号具有抗干扰能力强、信号动态规模大(S/N >90 dB)以及可进行数据压缩的特色。数据加密是由加密密钥和加密算法将明文数据转化为没有固定含义的密文;数据解密便是由解密密钥和解密算法将密文康复为明文。

体系运用根据ARM内核的STM32处理器履行加密算法和体系的协作操控。选用TEA加密算法对接收到的音频数据进行实时加密，加密后的语音数据存储到外部SD卡中，并可将语音文件经过USB接口传输到计算机进行解密处理。文中规划完结了数字录音模块和STM32外围装备的硬件电路;PCB布局布线;编写加密录音笔软件，完结了数字录音笔的数据加密与数据存储功用。

1 体系全体规划

体系硬件电路首要分为数字录音模块和STM32处理器模块两部分，如图1所示。数字录音模块担任模仿音频信号捕获和信号采样、量化以及编码处理;处理器模块完结数字数据的加密运算、数据存储以及体系的全体操控。

图1 体系全体规划框图

语音信号经过麦克风输入后进行数字录音，数字录音电路包含滤波器网络、增益扩大和语音处理3部分。因为体系要求尽可能减小PCB板面积，所以本文挑选能一起满意增益扩大、A/D采样以及编码处理的录音芯片VS1003。STM32处理器模块担任加密算法的履行和体系的协作操控。VS1003将收集到的数据经过SPI接口实时传输到STM32进行加密处理，并将加密后的密文数据经过另一个SPI接口存储到外部容量为2 GB的SD卡中。

2 硬件电路规划

2.1 STM32处理器电路

2.1.1 主控芯片装备电路

主控芯片运用STM公司的STM32F103C6T6操控器，该系列32位闪存微操控器运用ARM公司具有突破性的Cortrex-M3内核，Cortex-M3内核根据哈佛架构，指令总线和数据总线彼此独立，使STM32的功能得到明显提高，并在大幅提高了使用程序的履行速度。

STM32经过BOO了[1：0]引脚挑选3种不同的发动形式，体系运用主闪存存储形式，即主闪存存储器被选为发动区域;体系时钟选用8 MHz内部时钟经内部倍频为48 MHz。STM32支撑两种调试接口(SWJ)：SW调试和JTAG调试，且SW调试和JTAG调试的部分引脚是复用的。本文选用SW(同步串行协议)调试：SWCLK为从主机到方针的时钟信号;SWDIO为双向数据信号;SWDIO为双向接口，需接100 kΩ的上拉电阻。STM32主控芯片的装备结构如图2所示。

图2 STM32主控芯片装备图

2.1.2 SD卡存储电路

安全数码卡(Secure Digital Memory Card，SD)是根据半导体快闪回忆器的多功用存储卡，具有容量大、功能高、安全性强等长处。SD卡支撑3种传输形式：SPI形式、1位SD形式以及4位SD形式，文中运用SPI传输形式与STM32主操控器进行通讯，SD卡与STM32的衔接如图3所示。

图3 SD卡衔接图

2.1.3 USB通讯电路

STM32处理器内部自带一个USB从操控器，契合USB通讯衔接标准。USB传输所需的48 MHz时钟由内部体系时钟供给，USB接口电压由+5 V供电。其接口电路衔接图如图4所示。

图4 USB接口电路图

2.2 数字录音电路

数字录音单元经过对输入的模仿音频信号进行低通滤波、增益扩大以及采样、量化和ADPCM编码处理，输出数字音频数据。VS1003是VLSI公司的一款支撑MP3/WMA/MIDI音频编解码和ADPCM编码的芯片，内置一个高功能、低功耗的DSP处理器内核，具有5 kB的指令RAM，0.5 kB的数据RAM，串行操控/数据输入接口，1个UART口以及4个通用IO口;一起片内带有一个立体声DAC以及一个可变采样率的ADC。

输入模仿音频信号经LINE_IN引脚输入到VS1003进行A/D采样，量化和ADPCM编码，并经过SPI通讯协议与STM32主操控器进行数据与操控信号的传输。录音电路与STM32的衔接电路如图5所示。

图5 VS1003电路衔接图

VS1003芯片由外部晶振供给12.288 MHz时钟作为主时钟，如图5所示。录音芯片由体系电源模块供电，所需2.5 V模仿电压、3.3 V数字电压以及3.3 V模仿电压，由AMS1117线性电源模块供给。XRESET信号供给录音芯片的硬件复位，当XRESET为低时，VS1003处于复位状况。体系通电或硬件复位后，主机经过对各硬件寄存器的设置来完结对录音芯片录音形式和详细参数的设定。

2.3 供电电路

体系由外部电源或锂电池供电，选用数字5 V进行供电，运用CN3052充电电路对锂电池充电。CN3052A是对单节锂离子或锂-聚合物可充电电池进行恒流/恒压充电的充电器电路，其只需较少的外围器材，且契合USB总线技能标准。充电模块电路如图6所示。

图6 充电模块电路图

图6 充电模块电路图

3 录音笔软件规划

录音体系的软件程序包含加密录音程序和上位机解密程序。加密录音进程为，首要对VS1003语音芯片进行初始化装备，设定录音参数，经过计数器计数值为文件名，创立WAV头文件，读取SPI接口收集的数字音频数据并进行数据加密处理，随后再保存为WAV文件。上位机解密软件经过计算机对加密录音文件进行解密处理。加密录音流程如图7(a)所示。

图7 软件规划流程图

3.1 底层驱动程序

S7M32操控器经过SPI接口对VS1003录音芯片进行寄存器装备，然后进行数字音频数据的传输，经加密处理后将数据存储到SD卡中，上位机经过USB接口直接对存储器进行读写操作，以便利加密录音文件的复制。体系运用VS1003，采样率为8 kHz，采样位数为16 bit，其装备流程如图7(b)所示。STM32为USB开发工具集供给了完好且经过认证的固件包，然后可容易完结对各类USB固件的开发。其间包含：用于一般设备管理使命的操控传输、批量传输、中止传输以及同步传输。USB接口装备流程如图7(c)所示。

3.2 TEA加密程序

为满意实时加密的要求，本文选用根据TEA的加密算法。TEA是一种小型的对称加解密算法，支撑128位密钥，该加密算法的长处是速度快、效率高。为防止for循环和除法运算，选用升级版的TEA加密算法，经过对加密算法的更改，可一次加密512 Byte，契合Flash一页扇区的存储巨细。TEA加密算法经过加密轮数来确保数据的可靠性，程序选用12轮加密，故具有较高的可靠性。

算法的首要思维是将输入的512 Byte明文数据进行分组，得到每组32 bit，共128组的数组V0，V1，…，V127，并对128位密钥进行分组得到4组32 bit的数组K0，K1，K2，K3，然后将每组数据Vj进行加MX运算，共进行128次，完结一轮加密。密钥常量设置为

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

TEA加密算法流程如图8所示。

图8 TEA加密算法流程图

其间，Delta的初始值为0x9E3779B9，Delta值的不断改变使得每轮的加密均有所不同。TEA解密算法是加密的逆运算，对加密后的wav文件进行解密处理，本文运用C#编写解密界面。

4 试验仿真

翻开电源开关，状况指示灯闪耀一次;运用录音中心“一键录音”按键，录音指示灯常亮;再次按键时录音指示灯平息，中止录音。本文运用音频处理软件Cool Edit Pro进行波形调查，加密的录音源文件和解密后的波形文件如图9所示。

图9 音频文件波形图

经过音频信号的波形比照可看出，加密后的音频信号波形是彻底随机的乱码，语音播映时呈噪音状况，解密后的音频文件声响还原性杰出。

5 结束语

体系运用VS1003、STM32等器材完结一键录音加密录音笔的规划，USB从操控器与PC机进行通讯，完结数据传输。数字录音技能是现代数字信号处理的重要组成部分，其交融了音频数据收集与传输、音频数据处理以及嵌入式等多种技能，具有宽广的使用远景。