隨著電子產品對數字信號處理技術的需求廣泛應用，語音信息的保密性也成為信息處理領域的一個重要研究方向。模擬音頻信號的數字化過程包括采樣、量化和編碼等，數字信號具有抗干擾能力強、信號動態范圍大（S/N >90 dB）以及可進行數據壓縮的特點。數據加密是由加密密鑰和加密算法將明文數據轉化為沒有固定意義的密文；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ARM內核的STM32處理器執行加密算法和系統的協作控制。采用TEA加密算法對接收到的音頻數據進行實時加密，加密后的語音數據存儲到外部SD卡中，并可將語音文件通過USB接口傳輸到計算機進行解密處理。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；編寫加密錄音筆軟件，實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；處理器模塊實現數字數據的加密運算、數據存儲以及系統的整體控制。

圖1 系統整體設計框圖

語音信號通過麥克風輸入后進行數字錄音，數字錄音電路包括濾波器網絡、增益放大和語音處理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處理器模塊負責加密算法的執行和系統的協作控制。VS1003將采集到的數據通過SPI接口實時傳輸到STM32進行加密處理，并將加密后的密文數據通過另一個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，指令總線和數據總線相互獨立，使STM32的性能得到明顯提高，并在大幅提高了應用程序的執行速度。

STM32通過BOO了[1:0]引腳選擇3種不同的啟動模式，系統使用主閃存存儲模式，即主閃存存儲器被選為啟動區域；系統時鐘采用8 MHz內部時鐘經內部倍頻為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（同步串行協議）調試：SWCLK為從主機到目標的時鐘信號；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。

圖2 STM32主控芯片配置圖

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處理器內部自帶一個USB從控制器，符合USB通信連接規范。USB傳輸所需的48 MHz時鐘由內部系統時鐘提供，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 數字錄音電路

數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UART口以及4個通用IO口；同時片內帶有一個立體聲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通信協議與STM32主控制器進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。

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，VS1003處于復位狀態。系統通電或硬件復位后，主機通過對各硬件寄存器的設置來實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總線技術規范。充電模塊電路如圖6所示。

圖6 充電模塊電路圖

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。加密錄音過程為，首先對VS1003語音芯片進行初始化配置，設定錄音參數，通過計數器計數值為文件名，創建WAV頭文件，讀取SPI接口采集的數字音頻數據并進行數據加密處理，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 軟件設計流程圖

3.1 底層驅動程序

S7M32控制器通過SPI接口對VS1003錄音芯片進行寄存器配置，然后進行數字音頻數據的傳輸，經加密處理后將數據存儲到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開發工具集提供了完整且經過認證的固件包，從而可輕易實現對各類USB固件的開發。其中包括：用于普通設備管理任務的控制傳輸、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，該加密算法的優點是速度快、效率高。為避免for循環和除法運算，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一頁扇區的存儲大小。TEA加密算法通過加密輪數來保證數據的可靠性，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進行加MX運算，共進行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。

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，狀態指示燈閃爍一次；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，解密后的音頻文件聲音還原性良好。

5 結束語

系統使用VS1003、STM32等器件實現一鍵錄音加密錄音筆的設計，USB從控制器與PC機進行通信，實現數據傳輸。數字錄音技術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，具有廣闊的應用前景。