【经验】基于EFM32GG11 32位MCU的单向加密实时无线语音通信

该项目的目标是执行从嵌入式系统到任意客户端（如膝上型计算机或平板电脑）的单向加密实时无线语音通信。这是使用用于音频输入/处理的EFM32GG11驱动器工具包和用于无线传输的Wizard Gecko Wi-Fi扩展工具包来实现的。音频数据从驱动工具包的板载麦克风中采样，并使用EFM32GG11 32位MCU通过AES进行加密；然后，音频数据流到连接到Wizard Gecko的Wi-Fi接入点的任何客户端，在那里，只能用正确的密码对其进行解密和回放。

图1 EFM32GG11 实物图

背景与动机：

我的项目主要目的是演示EFM32GG11 32位MCU驱动器工具包和Wizard Gecko Wi-Fi扩展工具包的有用特性，以及这两个工具包通过EXP头平滑地协同工作。

它演示的第一个主要特性是EFM32GG11的CRYPTO模块，它存在于所有EFM32系列1设备上，并提供快速硬件加速的加密。该项目利用配置为使用加密模块的MBOD TLS库，从而显著提高了它的速度。它通过大量开销实时加密未压缩的音频来演示CRYPTO模块的高吞吐量（高达~123Mbps）。加密的类型是CBC模式中的256位AES，它目前被认为是普遍安全的。

项目背后的另一个动机是演示EFM32GG11驱动器工具包本身的两个特性：板载麦克风，以及Wi-Fi扩展工具包通过EXP报头易于连接到，并被进行控制的能力。麦克风没有例子，而且在外部托管模式下Wizard Gecko的固件实例很少。我的项目通过允许用户收听音频演示了内置麦克风的质量，并且展示了如何使用BGLib C库与外部主机的Wizard Gecko通信。此外，它演示了Wizard Gecko上的透明/流端点的吞吐量。

项目描述：

图2 通过发射机设备的数据流框图

麦克风输入：

EFM32GG11驱动器工具包提供板载音频编解码器，该编解码器自动将来自板载MEMS麦克风的PDM(脉冲密度调制)数据转换为PCM(脉冲代码调制)数据，并以I²S格式在串行接口上输出。编解码器的串行接口连接到EFM32GG11 USART3位置0引脚，因此读取音频数据只是用正确的设置将USART3初始化为I²S、启用autoTx和触发附加麦克风启用引脚的问题。

音频数据为32位字，因此通过将I²S波特率设置为所需采样率的64倍（每个通道32位）来控制采样率。每个字都包含单个20位音频样本，但是很少有系统支持20位音频，因此对于我的项目，我忽略每个样本的最低有效4位，并且只从每个字读取16位。我还忽略了来自右麦克风的样本，这意味着我获得的用于处理的最终音频数据是16位单PCM格式。采样率很容易配置，但最后，我选择了20kHz，因为这似乎是Wizard Gecko能够处理的上限，同时又足够高来覆盖人类听觉范围，并提供清晰易懂的音频。

为了节省CPU周期，使用LDMA将音频输入数据传送到存储器。为了丢弃右通道数据，重复地将右通道数据写入单个字节，而将左通道数据交替地传输到两个16字节的缓冲区中；当一个缓冲区被填充时，另一个缓冲区被CPU处理。

加密与传输：

当左通道传输完成时，它触发一个中断，该中断切换当前进程缓冲区，并发出下一个分组准备被处理的信号。然后，EFM32GG11使用配置为使用CRYPTO模块的mbed TLS库对当前16字节缓冲区（16字节是AES块大小）进行加密。在CBC（密码块链接）模式中，库在加密之前自动地将明文与先前密文一起XOR。

用于加密的256位密钥是从使用SHA256的密码导出的。只有密码相同的客户可以通过散列密码来获得正确的密钥。

在我的项目中，我决定将初始化向量固定为全零。通常，初始化向量重用被认为是不好的实践和弱安全性；但是，它只有可能从前缀相同的数据流的前几个块泄漏数据，并且由于大量的块和在有意义的音频段中的噪声量存在，因此对我的项目构成不了显著的威胁。。

一旦一个块被加密，它就被放入一个先进先出的队列中，通过UART通过EXP报头传输到Wizard Gecko。流量控制是使用连接到Wizard Gecko的附加CTS管脚实现的；当不能跟上传输速率时，模块可以驱动CTS高，在这种情况下，传输停止，队列填充。传输是由中断驱动的，它允许在下一个缓冲区被加密时“在后台”运行，并且在Wizard Gecko引发CTS时不阻塞主线程。

UART传输的波特率是可配置的，只要EFM32GG11和Wizard Gecko都配置成相同的值。然而，有趣的是，Wizard Gecko在更高的波特率下似乎表现得更好（提高CTS时间更短）——也许是因为这增加了分组之间的差距——所以我选择了3MHz。

WiFi：

Wizard Gecko Wi-Fi模块在托管模式下连接到外部MCU时，以命令响应格式运行。EFM32GG11通过SPI使用EXP报头发送命令，规定为一种二进制协议，称为BGAPI。当Wizard Gecko准备向MCU发送响应（或事件）时，它将触发通知引脚（也连接到EXP报头），通知EFM32GG11读取和处理消息。所有的BGAPI命令和响应都在一个名为BGLib的C库中定义。

初始化后，我的项目将向导GECKO配置为一个隐藏的无线接入点和一个TCP服务器。当连接到接入点的客户端打开到TCP服务器的IP地址和端口的连接时，它触发一个转发回EFM32GG11的事件。EFM32GG11然后启用麦克风，并且开始通过UART加密和传输音频到Wizard Gecko的第二个USART接口（未用于BGAPI命令的那个）。该接口以透明/流模式配置，这意味着它将所有未修改的接收数据转发到单个端点。在加密开始之前，EFM32GG11将这个端点配置为所连接的客户端的端点。

成就、缺陷和下一步：

最终，该项目成功并达到了构建单向加密语音通信设备的最终目标。语音清晰易懂，距离板载麦克风多达几英寸，并且实时加密是安全的。

最终实现中的主要缺陷是，Wizard Gecko本身在没有中断的情况下持续地传输大量数据时有困难。该模块偶尔会“阻塞”1-2秒，在此期间它将停止传输，并通过提高CTS拒绝接受数据。性能不一致，在“扼流圈”之间，设备将从10秒到60秒以上。这导致了令人沮丧的音频空隙，就像手机连接正在“中断”；尽管平均来说，这个项目仍然非常适合与某人交谈。我添加了一个蓝色LED，每当CTS升高时就打开，因此用户至少可以通过观察LED点亮纯蓝色来判断设备何时没有发射。

在将来，这种行为可能通过改变设备用来传输的协议而被消除。蓝牙将具有更大的带宽，或者如果Wizard Gecko仍然被使用，Wi-Fi Direct或者通过第三方局域网（而不是使用Wizard Gecko作为接入点）的TCP连接。最后两个选项将使演示更加难以使用，因此蓝牙将是理想的解决方案；这解释了为什么蓝牙对于具有相似功能的现实产品如此受欢迎。

使用此项目：

按照加密语音发送器文件夹的自述文件中的说明，配置Wizard Gecko和EFM32GG11作为项目的发送器部分。

若要使用接收器，请下载下面的可执行Java小程序，并在其中运行.exe文件（不需要安装JVM）。除非在固件中更改IP地址和端口，否则将保留这些字段。输入固件中定义的密码（默认“GECKO123”）。

启动发射机后，等待LCD输出到达“等待客户端”，然后连接到设备创建的隐藏接入点（默认SSID是“加密语音演示”）。

一旦LCD显示“客户端加入”，单击Java小应用程序对话框上的“连接”。当连接按钮下面的状态消息以绿色显示“Connected”时，麦克风的音频应该开始在PC上播放。