18일차

2025.07.28

 

rotary sw 디지털 회로 설계

 

로터리 엔코더는 가전제품의 메뉴 선택이나 시간설정 등에 많이 사용되는 부품.

건조기나 냉장고에서도 많이 사용.

엔코더란 기계적인 위치의 변화나 방향·각도 등을 검출하여 전기적인 신호로 출력하는 센서.

엔코더의 명칭은 「encode= 코드화 한다」가 유래이며, 각도나 위치 변위의 코드화, 즉 펄스 신호로 부호화 하는것을 말한다.

엔코더 종류에는 회전의 각도나 방향을 검출하는 로터리 엔코더와 직선의 위치나 이동량을 검출하는 리니어 엔코더 등이 있다

회전할 때 정해진 패턴의 신호를 출력하기 때문에 이 신호를 바탕으로 회전부가 얼마나 회전했는지를 파악할 수 있다.

회전입력 하나로 다양한 입력을 받음으로써 부품의 수를 줄일 수 있기 때문에 로터리엔코더는 여러 제품의 입력장치로

광범위하게 활용되고 있음.

 

로터리 엔코더: 회전속도 회전량 및 회전 방향을 검출 하는 센서 장치

사용자가 스위치를 돌리면, 스위치 내부의 접점들이 회전하며 특정 패턴으로 연결되고, 이 패턴 변화를 통해 각도 변화를 감지

즉, 회전 방향과 각도 변화량을 펄스 형태로 출력하여 디지털 신호로 처리할 수 있게  함.

 

출력 펄스는 회전 위치의 절대치가 아닌 회전한 각도에 의해 비례하는 펄스 출력

2비트 상태 {A, B}의 이전 상태 → 현재 상태 변화에 따라 방향을 판단

동작 원리

(1) 회전 감지:

   EC11 로터리 스위치는 회전축에 연결된 원판(디스크)에 규칙적인 패턴(구멍 또는 틈)이 있다 

   이 원판은 두 개의 광학 센서 또는 기계식 접점과 함께 작동 

(2) 신호 생성:

   회전축이 회전하면, 원판의 패턴이 광학 센서 또는 기계식 접점을 통과하면서 빛을 차단하거나 연결
   이 차단/연결 변화가 디지털 펄스 신호로 변환

(3)펄스 신호 처리:

   생성된 펄스 신호는 컨트롤러와 같은 장치에서 입력으로 받아 처리

 

 

• EC11은 증분형(Incremental) 로터리 엔코더의 한 종류.
  일반적인 가변 저항처럼 특정 각도 범위가 있는 것이 아니라,
  360도 계속 회전할 수 있으며 회전 방향과 회전량을 감지하여 디지털 펄스 신호로 출력.
  또한, EC11 엔코더는 푸시 버튼 스위치가 내장되어 있어, 노브를 누르는 동작도 감지할 수 있다.

• 증분형 엔코더: 회전 변위를 일련의 디지털 펄스 신호로 변환.

  절대적인 위치를 알려주는 것이 아니라, 얼마나 움직였고 어느 방향으로 움직였는지 알려줌.

  전원이 꺼지면 마지막 위치 정보는 유지되지 않음.

• A상(s1)(Phase A) 및 B(s2)상(Phase B) 출력: EC11 엔코더는 두 개의 출력(A상, B상)을 가짐.

                                                                         이 두 신호는 서로 약 ¼ 주기(90도)의 위상차를 가짐.

• 시계 방향(CW) 회전 시: A상이 B상보다 먼저 HIGH로 변함.

• 반시계 방향(CCW) 회전 시: B상이 A상보다 먼저 HIGH로 변함.

                                             이 위상차를 분석하여 엔코더의 회전 방향을 감지할 수 있다.

• 펄스 수:  EC11은 보통 20펄스/회전 또는 24펄스/회전. 이 펄스 수를 세어 회전량을 알 수 있다.

• 내장 푸시 버튼 (선택 사항): 많은 EC11 엔코더는 축을 누르면 작동하는 스위치가 내장되어 있다.

                                            이는 메뉴 선택, 음소거 등의 기능을 구현하는 데 유용하다.

 

block diagram

 

rotary.v

`timescale 1ns / 1ps

module rotary(
    input clk,
    input reset,
    input clean_s1,
    input clean_s2,
    input clean_key,
    output [15:0] led
    );

    reg [1:0] r_prev_state = 2'b00;
    reg [1:0] r_curr_state = 2'b00;
    reg [1:0] r_direction = 2'b00;
    reg [7:0] r_count = 8'h00;

    reg [15:0] r_led = 16'b0;

    always @(posedge clk or posedge reset) begin
        if (reset) begin
            r_prev_state <= 2'b00;
            r_curr_state <= 2'b00;
            r_direction <= 2'b00;
            r_count <= 8'h00;
            r_led <= 16'b0;
        end else begin
            r_prev_state <= r_curr_state;
            r_curr_state <= {clean_s1, clean_s2};

            case ({r_prev_state, r_curr_state})

            4'b0010, 4'b1011, 4'b1101, 4'b0100: begin // CW 00 -> 10 -> 11 -> 01 -> 00
                if (r_count < 8'hFF) // overflow 방지
                    r_count <= r_count + 1;
                r_direction <= 2'b01;
            end

            4'b0001, 4'b0111, 4'b1110, 4'b1000: begin // CCW 00 -> 01 -> 11 -> 10 -> 00
                if (r_count > 8'h00) // underflow 방지
                    r_count <= r_count - 1;
                r_direction <= 2'b10;
            end

            endcase

            // clean_key ON/OFF 제어
            r_led[13] <= ~clean_key;

            // LED 출력 구성
            r_led[15:14] <= r_direction;
            r_led[12:8]  <= 5'b0;
            r_led[7:0]   <= r_count;

        end
    end

    assign led = r_led;

endmodule

 

top.v

`timescale 1ns / 1ps

module top(
    input clk,
    input reset,  // btnU
    input [2:0] btn,
    input [7:0] sw,
    input RsRx,
    input s1, // JC1
    input s2, // JC2
    input key, // JC3
    output RsTx,
    output [7:0] seg,
    output [3:0] an,
    output [15:0] led
    );

    wire [2:0] w_btn_debounce;
    wire [13:0] w_seg_data;
    wire w_tick;
    wire [7:0] w_rx_data;
    wire w_rx_done;

    // 디바운싱 된 입력
    wire w_clean_s1, w_clean_s2, w_clean_key;

    button_debounce u_button_debounce(
        .i_clk(clk),
        .i_reset(reset),
        .i_btn(btn[0]),
        .o_btn_clean(w_btn_debounce)
    );

    button_debounce #(.DEBOUNCE_LIMIT(200_000))u_s1_debounce( // debounce 2ms
        .i_clk(clk),
        .i_reset(reset),
        .i_btn(s1),
        .o_btn_clean(w_clean_s1)
    );

    button_debounce #(.DEBOUNCE_LIMIT(200_000))u_s2_debounce( // debounce 2ms
        .i_clk(clk),
        .i_reset(reset),
        .i_btn(s2),
        .o_btn_clean(w_clean_s2)
    );

    button_debounce #(.DEBOUNCE_LIMIT(200_000))u_key_debounce( // debounce 2ms
        .i_clk(clk),
        .i_reset(reset),
        .i_btn(key),
        .o_btn_clean(w_clean_key)
    );

    rotary u_rotary(
        .clk(clk),
        .reset(reset),
        .clean_s1(w_clean_s1),
        .clean_s2(w_clean_s2),
        .clean_key(w_clean_key),
        .led(led)
    );

endmodule

 

Basys3-Master_original.xdc

## This file is a general .xdc for the Basys3 rev B board
## To use it in a project:
## - uncomment the lines corresponding to used pins
## - rename the used ports (in each line, after get_ports) according to the top level signal names in the project

## Clock signal
set_property -dict { PACKAGE_PIN W5   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports clk]
create_clock -add -name sys_clk_pin -period 10.00 -waveform {0 5} [get_ports clk]


## Switches
set_property -dict { PACKAGE_PIN V17   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {sw[0]}]
set_property -dict { PACKAGE_PIN V16   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {sw[1]}]
set_property -dict { PACKAGE_PIN W16   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {sw[2]}]
set_property -dict { PACKAGE_PIN W17   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {sw[3]}]
set_property -dict { PACKAGE_PIN W15   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {sw[4]}]
set_property -dict { PACKAGE_PIN V15   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {sw[5]}]
set_property -dict { PACKAGE_PIN W14   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {sw[6]}]
set_property -dict { PACKAGE_PIN W13   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {sw[7]}]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN V2    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {sw[8]}]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN T3    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {sw[9]}]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN T2    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {sw[10]}]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN R3    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {sw[11]}]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN W2    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {sw[12]}]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN U1    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {sw[13]}]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN T1    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {sw[14]}]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN R2    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { cin }]


## LEDs
set_property -dict { PACKAGE_PIN U16   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {led[0]}]
set_property -dict { PACKAGE_PIN E19   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {led[1]}]
set_property -dict { PACKAGE_PIN U19   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {led[2]}]
set_property -dict { PACKAGE_PIN V19   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {led[3]}]
set_property -dict { PACKAGE_PIN W18   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {led[4]}]
set_property -dict { PACKAGE_PIN U15   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {led[5]}]
set_property -dict { PACKAGE_PIN U14   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {led[6]}]
set_property -dict { PACKAGE_PIN V14   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {led[7]}]
set_property -dict { PACKAGE_PIN V13   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {led[8]}]
set_property -dict { PACKAGE_PIN V3    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {led[9]}]
set_property -dict { PACKAGE_PIN W3    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {led[10]}]
set_property -dict { PACKAGE_PIN U3    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {led[11]}]
set_property -dict { PACKAGE_PIN P3    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {led[12]}]
set_property -dict { PACKAGE_PIN N3    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {led[13]}]
set_property -dict { PACKAGE_PIN P1    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {led[14]}]
set_property -dict { PACKAGE_PIN L1    IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {led[15]}]


##7 Segment Display
set_property -dict { PACKAGE_PIN W7   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {seg[0]}]
set_property -dict { PACKAGE_PIN W6   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {seg[1]}]
set_property -dict { PACKAGE_PIN U8   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {seg[2]}]
set_property -dict { PACKAGE_PIN V8   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {seg[3]}]
set_property -dict { PACKAGE_PIN U5   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {seg[4]}]
set_property -dict { PACKAGE_PIN V5   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {seg[5]}]
set_property -dict { PACKAGE_PIN U7   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {seg[6]}]
set_property -dict { PACKAGE_PIN V7   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {seg[7]}]  
# seg[7] : dp 
set_property -dict { PACKAGE_PIN U2   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {an[0]}]
set_property -dict { PACKAGE_PIN U4   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {an[1]}]
set_property -dict { PACKAGE_PIN V4   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {an[2]}]
set_property -dict { PACKAGE_PIN W4   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {an[3]}]


##Buttons
set_property -dict { PACKAGE_PIN T18   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports reset]
set_property -dict { PACKAGE_PIN W19   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {btn[0]}]
set_property -dict { PACKAGE_PIN U18   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {btn[1]}]
set_property -dict { PACKAGE_PIN T17   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {btn[2]}]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN U17   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports btnD]


##Pmod Header JA
#set_property -dict { PACKAGE_PIN J1   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {JA[0]}];#Sch name = JA1
#set_property -dict { PACKAGE_PIN L2   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {JA[1]}];#Sch name = JA2
#set_property -dict { PACKAGE_PIN J2   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {JA[2]}];#Sch name = JA3
#set_property -dict { PACKAGE_PIN G2   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {JA[3]}];#Sch name = JA4
#set_property -dict { PACKAGE_PIN H1   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {JA[4]}];#Sch name = JA7
#set_property -dict { PACKAGE_PIN K2   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {JA[5]}];#Sch name = JA8
#set_property -dict { PACKAGE_PIN H2   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {JA[6]}];#Sch name = JA9
#set_property -dict { PACKAGE_PIN G3   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {JA[7]}];#Sch name = JA10

##Pmod Header JB
#set_property -dict { PACKAGE_PIN A14   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {JB[0]}];#Sch name = JB1
#set_property -dict { PACKAGE_PIN A16   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {JB[1]}];#Sch name = JB2
#set_property -dict { PACKAGE_PIN B15   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {JB[2]}];#Sch name = JB3
#set_property -dict { PACKAGE_PIN B16   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {JB[3]}];#Sch name = JB4
#set_property -dict { PACKAGE_PIN A15   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {JB[4]}];#Sch name = JB7
#set_property -dict { PACKAGE_PIN A17   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {JB[5]}];#Sch name = JB8
#set_property -dict { PACKAGE_PIN C15   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {JB[6]}];#Sch name = JB9
#set_property -dict { PACKAGE_PIN C16   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {JB[7]}];#Sch name = JB10

##Pmod Header JC
set_property -dict { PACKAGE_PIN K17   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { s1 }];#Sch name = JC1
set_property -dict { PACKAGE_PIN M18   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { s2 }];#Sch name = JC2
set_property -dict { PACKAGE_PIN N17   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { key }];#Sch name = JC3
#set_property -dict { PACKAGE_PIN P18   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {JC[3]}];#Sch name = JC4
#set_property -dict { PACKAGE_PIN L17   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {JC[4]}];#Sch name = JC7
#set_property -dict { PACKAGE_PIN M19   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {JC[5]}];#Sch name = JC8
#set_property -dict { PACKAGE_PIN P17   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {JC[6]}];#Sch name = JC9
#set_property -dict { PACKAGE_PIN R18   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {JC[7]}];#Sch name = JC10

##Pmod Header JXADC
#set_property -dict { PACKAGE_PIN J3   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {JXADC[0]}];#Sch name = XA1_P
#set_property -dict { PACKAGE_PIN L3   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {JXADC[1]}];#Sch name = XA2_P
#set_property -dict { PACKAGE_PIN M2   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {JXADC[2]}];#Sch name = XA3_P
#set_property -dict { PACKAGE_PIN N2   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {JXADC[3]}];#Sch name = XA4_P
#set_property -dict { PACKAGE_PIN K3   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {JXADC[4]}];#Sch name = XA1_N
#set_property -dict { PACKAGE_PIN M3   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {JXADC[5]}];#Sch name = XA2_N
#set_property -dict { PACKAGE_PIN M1   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {JXADC[6]}];#Sch name = XA3_N
#set_property -dict { PACKAGE_PIN N1   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {JXADC[7]}];#Sch name = XA4_N


##VGA Connector
#set_property -dict { PACKAGE_PIN G19   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {vgaRed[0]}]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN H19   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {vgaRed[1]}]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN J19   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {vgaRed[2]}]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN N19   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {vgaRed[3]}]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN N18   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {vgaBlue[0]}]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN L18   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {vgaBlue[1]}]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN K18   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {vgaBlue[2]}]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN J18   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {vgaBlue[3]}]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN J17   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {vgaGreen[0]}]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN H17   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {vgaGreen[1]}]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN G17   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {vgaGreen[2]}]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN D17   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {vgaGreen[3]}]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN P19   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports Hsync]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN R19   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports Vsync]


##USB-RS232 Interface
set_property -dict { PACKAGE_PIN B18   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports RsRx]
set_property -dict { PACKAGE_PIN A18   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports RsTx]


##USB HID (PS/2)
#set_property -dict { PACKAGE_PIN C17   IOSTANDARD LVCMOS33   PULLUP true } [get_ports PS2Clk]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN B17   IOSTANDARD LVCMOS33   PULLUP true } [get_ports PS2Data]


##Quad SPI Flash
##Note that CCLK_0 cannot be placed in 7 series devices. You can access it using the
##STARTUPE2 primitive.
#set_property -dict { PACKAGE_PIN D18   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {QspiDB[0]}]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN D19   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {QspiDB[1]}]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN G18   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {QspiDB[2]}]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN F18   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports {QspiDB[3]}]
#set_property -dict { PACKAGE_PIN K19   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports QspiCSn]


## Configuration options, can be used for all designs
set_property CONFIG_VOLTAGE 3.3 [current_design]
set_property CFGBVS VCCO [current_design]

## SPI configuration mode options for QSPI boot, can be used for all designs
set_property BITSTREAM.GENERAL.COMPRESS TRUE [current_design]
set_property BITSTREAM.CONFIG.CONFIGRATE 33 [current_design]
set_property CONFIG_MODE SPIx4 [current_design]