チュートリアル
RS-485：今なお最も堅牢な通信目次
要約..........................................................................................................1
RS-485とRS-422......................................................................................2
RS-485の詳細...........................................................................................3
産業環境の課題...........................................................................................5
過酷な環境からのシステムの保護....................................................................5
結論........................................................................................................10
参考文献..................................................................................................10

要約
ワイヤレスネットワークの急速な普及にも関わらず、特に過酷な環境において、有線シリ
アルネットワークは引き続き最も堅牢で、高信頼性の通信を提供しています。これらの優れた技術で作られたネットワークは、産業およびビルオートメーションアプリケーションで効果的な通信を提供します。これらのアプリケーションではノイズ、静電気放電、および電圧フォルトに対する耐性が要求され、これらのすべてが稼働時間の増大につながります。このチュートリアルではRS-485プロトコルについて概説し、産業アプリケーションで広く使用されている理由およびそれが解決する一般的な問題について解説します。

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RS-485とRS-422
RS-485が過酷な、産業環境で最も広く使用される.
インタフェースプロトコルである理由についての考察
RS-485トランシーバは、過酷な産業物理的な破壊が生じる場合があること

およびビルオートメーションネットワーです。

クにおいてシリアルポート通信用の物理層を実装するための最も一般的なイン今日一般的に使用されるデータインタタフェースです。このシリアルインタ

フェースプロトコルには、多数のタイプフェース規格は、ツイストペアのワイヤがあります。それぞれ特定のアプリケー上で、産業アプリケーションに必要な長ションを念頭に開発されたもので、特距離・高速伝送用のシングルパス差動信定のプロトコル仕様一式と構造を備え号方式を提供します。RS-485規格は、ています。これらのインタフェースの例

過酷な環境に耐えることができる堅牢なと し て、CAN、RS-232、RS-485/インタフェースを提供します。産業およR S - 4 2 2 、 I 2C 、 I 2S 、 L I N 、 S P I 、びビルアプリケーションの一般的な問

SMBusなどがあります。これらの中で、題の1つは、高速スイッチング誘導性負荷

特に工場やビルオートメーションなどのからの大きい電気的過渡、静電気放電、過酷な産業環境/電気的環境において、およびファクトリーオートメーションに

RS-485とRS-422は現在でも最高の関連する頻繁な電圧サージによって、信頼性を提供します。

データ伝送のエラーやネットワークのSLAVE

R

R

SLAVE

MASTER

DR

R

R
SLAVE

SLAVE

SLAVE

図1. RS-422マルチドロップバス

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RS-485とRS-422は似ていますが、同て、1つのRS-485シリアルポートに接じではありません。これらの2つの規格続されたデバイスのネットワークを作るの間にはいくつかの相違点があり、シスことができます。より高いノイズ耐性とテム設計時に注意する必要があります。

マルチドロップ機能を備えたRS-485は、PLCまたはその他のデータ収集やHMI

RS-422は、1つのバスマスター(ドライバ)などの動作用のコントローラにネットのみを必要とする産業環境に最適です。

ワーク接続された複数の分散デバイス

この規格は、最大10Mbpsでデータをを必要とする産業アプリケーションで最送信するメカニズムを提供します。RS-も多く選択されるシリアル接続になって422は、ツイストペアのワイヤを使っています。RS-485はRS-422の上位仕様各信号を送信することで、ノイズ耐性をであるため、すべてのRS-422デバイス

高めボーレートとケーブル長を増大しまはRS-485によって制御することが可能す。RS-422はマルチドロップアプリケーです。

ション用の仕様で、TIA/EIA-422に従って、1つのトランスミッタのみが最大10

RS-485の標準的なアプリケーションはのレシーバが接続されたバスに接続さRS-422の場合と同様で、プロセスオーれ、バス上で送信を行います(図1)。標トメーション(化学製品、醸造、製紙)、
ファ

準的なアプリケーションには、プロセクトリーオートメーション(自動車およびスオートメーション(化学製品、醸造、金属製作)、HVAC、セキュリティ、モー製紙)、ファクトリーオートメーション(自ター制御、およびモーションコントロー

動車および金属製作)、HVAC、セキュ

ルがあります。そのため、この2つの規

リティ、モーター制御、およびモーショ

格 で は、 拡 張 さ れ た 機 能 を持 つRS-ンコントロールがあります。

485の方がより一般的に使用されます。

RS-485は、複数のバスマスター/ドラ

RS-485の詳細イバが必要な場合に、より高い柔軟性を提供します。TIA/EIA-485に従ってデバイス数が10から32へと増加し、より広 いコ モ ン モ ード(±7Vに 対し-7V〜+12V)とわず か に 低 い 差 動 電 圧 範 囲(±2Vに対し±1.5)によって最大負荷時に適切な信号電圧を確保するという点で、RS-422より改善されています。この強化されたマルチドロップ機能によっ

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RS-485
トランシーバは、過酷な産業.
およびビル.
オートメーションネットワークにおいてシリアルポート通信用の物理層を実装.
するための最も一般的なインタフェースです。

すでに述べたように、TIA/EIA-485 (通称RS-485)は産業アプリケーションで最も広く使用されているインタフェースです。RS-485は最大4000フィートの長距離で使用することが可能で、より短い距離では40Mbps以上の高速が可能です。差動というRS-485の特性によって長距離での動作が可能ですが、ケーブル長が長くなるほど速度が低下します。
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VCC
RO

R

A

A

R

RE

RE

DE

B

DE

B

D

D

B

A

R
RO

RE

DE

DI

SLAVE

B

RO

SLAVE

DI

D

A

R

MASTER

D

DI

RO

RE

DE

DI

SLAVE

図2. 産業アプリケーションで一般的に使用されるマルチドロップ半2重.
トランシーバシステム

距離以外にも、データレートはワイヤ径最大32のドライバと最大32のレシーバおよびネットワーク上のノード数に影響を処理することができます。1/4ユニッされます。MAX3291などのプリエンファ

ト負荷を備えた新しいデバイスや、さらシスを備えたRS-485は、帯域幅と距離に はMAX13448Eなどの1/8ユ ニットの大幅な向上が可能で、それを必要とす負荷レシーバ入力インピーダンスのデバるアプリケーションに対応します。

イスが登場しており、同一バス上に128〜256のレシーバを接続可能になってRS-485インタフェースは、1ペアの伝います。この強化されたマルチドロップ

送バスによる半2重モード、または2ペ機能によって、図2に示すように、1つアのバス(4線)による同時送受信動作がのRS-485シリアルポートに接続された可能な全2重モードで使用することがでデバイスのネットワークを作ることができます。半2重マルチドロップ構成では、きます。

D+1.5V-1.5V+200mV-200mVR

図3. RS-485の最小バス信号レベル

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レ シ ー バ 入 力 感 度 は ±200mVで す。

産 業ア プリケ ーション で 使 用 され る

すなわち、1または0のビットを認識す

DC-DCコンバータには、高い入力電圧る た め に、 レ シ ー バ は 0 の 場 合と絶縁型電力出力を備えたものがあり+200mV以上、1の場合-200mV以下ます。多くのアプリケーションは、24Vの 信 号レ ベ ル を必 要とします(図3)。

または48V DC入力を使用して、ライン±200mVの範囲のノイズは、基本的に給電されていない分散アプリケーションブロックされます。差動形式によって、に電力を供給します。12Vまたは5Vに効果的にコモンモードノイズが除去されダウンコンバートされた後で、ポイントます。レシーバの入力インピーダンスはオブロード変換を適用することができま12kΩ (min)で、ドライバの出力電圧はす。リモートセンサーやアクチュエータ±1.5V (min)、±5V (max)です。との通信を維持するアプリケーション
は、過渡、EMI、およびグランド電位差

産業環境の課題の影響に対する保護が必要です。

産業システムの設計者は、ハードウェア

マキシム・インテグレーテッドなどの企の損傷やデジタル通信への悪影響の可業は、産業アプリケーション用ICが堅能性がある環境条件において堅牢な動牢で過酷な電気的環境に耐えることを作を確保するために、多数の困難な課確保するために細心の注意を払ってい題に直面します。

ます。マキシムのRS-485トランシーバ
ICは、高ESD耐性、大きい電圧スパイ1つの例が、ファクトリーオートメーション

クに対するフォルト保護、ホットスワッにおける加工機械の自動制御です。プ

プ機能などの保護を内蔵し、エラーのロセスコントローラは動作と環境の変ないデータ伝送を実現します。

数を監視および測定し、動作コマンドを送信して機器やアラームを制御します。
コントローラは、通常はマイクロコントローラベースの機械で、工場とアプリケーションのニーズを満たすように最適化されたアーキテクチャを備えています。これらのシステムのポイント間デー

マキシムの
RS-485.
トランシーバ
ICは、高ESD耐性、大きい電圧スパイクに対する.
フォルト保護、ホットスワップ機能などの.
保護を内蔵し、.
エラーのないデータ伝送を実現します。

過酷な電気的環境からのシステムの保護
以下に示すのは、RS-485トランシー
バに内蔵される場合がある保護機能です。

タ通信ラインは、過酷な電気的環境に晒されます。

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5 of 10絶縁層の破壊とコンタクトスパイク

ESDは.
産業にとって.
重大な問題.
で、年間数.
十億ドルの.
損害を引き.
起こしていると推定されます。

パシべ̶ション層の破裂
エレクトロサーマル
マイグレーション

アルミの飛散図4. ESD保護が不適切なICで発生する重大な故障

拡張ESD品の故障を発生させ、場合によっては静電気放電(ESD)は過電圧事象の1つで、重大なシステム障害を引き起こします。

電位が異なる2つの物質が接触したときに、蓄積された静電荷が転移して、ス外付けESDダイオードやその他のディスパークが発生します。多くの場合、ESDクリート部品を使用して、データラインスパークは人間と周囲との相互作用にを保護することができます。多くのICデよって発生します。これらの偶発的なスバイスはある程度のESD保護を内蔵しパークによって、半導体デバイスの特性ているため、IC自体用にはそれ以上のが変化し、性能の低下または完全な破外付け保護を必要としません。図5は、壊につながります。また、ESDはケーブ一般的な内蔵保護方式の簡略ファンク

ルの交換時やI/Oポートに触れてしまっションダイアグラムを示します。信号入たとき、電子システムに対する脅威とな出力(I/O)の電圧スパイクはVCCまたはります。これらの日常的なできごとに伴GNDにクランプされ、内部回路を保護う放電は、1つまたはそれ以上のインタします。多くのインタフェース製品やアフェースICを破壊し、ポートを無効化しナログスイッチは、IEC 61000-4-2規ます(図4)。保証修理のコストが上昇す格に準拠するように設計されたESD保るとともに、製品の品質に対する印象護を内蔵しています。

が悪化するため、これらの故障は高コ

6 of 10ストになります。ESDは産業にとって重マキシム・インテグレーテッドは、多大な大な問題で、年間数十億ドルの損害を労力を投入して堅牢なESD保護を内蔵し引き起こしていると推定されます。
フィー

たICを開発してきました。RS-232およルドで発生するESD事象は、個々の部

びRS-485インタフェースICからスタート

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シャットダウンモード時にもESDストラ

VCC

イクに対して保護されます。
フォルト保護SIGNAL I/O

産業用ネットワークアプリケーションのGND(OR NEGATIVEVOLTAGE RAIL)

RS-485デバイスのドライバ出力/レシーIC

バ入力は、浮遊電圧スパイクに起因する電圧フォルトにしばしば晒されます。

図5. 内蔵ESD保護回路の簡略図

フォルトは、ESD事象とは異なります。
ESD事象は100ns以下の短い時間範囲して、マキシムはインタフェーストランシーバ用ESD保護のリーダーになりました。これらのデバイスは、入出力端子に直接印加されるIEC 61000-4-2およびJEDEC JS-001のESDイベントに耐えることができます。この方式は堅牢で、すぐに利用可能で、外付け部品用の面積が不要で、ほとんどの代替方式より低コストです。

内で発生するのに対し、フォルトは一般に約200µsまたはそれ以上の持続時間にわたって発生します。過電圧などのフォルトは、配線の誤り、接続の緩み、ケーブルの潰れや傷み、あるいはPCB上またはコネクタ内のはんだのかすが原因で電源ラインがデータ接続と接触することによって発生し、数秒あるいは数分間にわたって高電圧に晒されたあと、故障が発生します。多くの産業用電すべてのマキシム製デバイスは、取扱源は+24V以上あるため、これは大きい中や組立て中に発生する静電気放電な事故につながる可能性があります。

に対する保護のために、すべての端子データラインとの接触が発生すると、標にESD保護構造が組み込まれています。

準的な、保護なしのRS-485トランシー

MAX3483AE/MAX3485AEファミリなバは確実に破壊されます。

過電圧などのフォルトは、.
配線の誤り、接続の緩み、ケーブルの.
潰れや傷み、あるいはPCB
上または.
コネクタ内のはんだかすが原因で電源.
ラインがデータ接続と接触することによって.
発生します。

どの高ESD保護内蔵トランシーバは、トランスミッタ出力およびレシーバ入力これらのフォルトに対する保護のため端子に±20kVのESD保護を備えていまに、通常のRS-485デバイスは高コストす。これらのトランシーバは、定格値のディスクリート外付け保護回路または以下のESDストライクによって損傷しなデバイスを必要とします。フォルト保護

いのみでなく、電源サイクルの必要なしを備えたRS-485トランシーバは、通に正常に動作を継続します。さらに、パ信バスライン上で±40V、±60V、あるワーアップ時、パワーダウン時、およびいは±80Vもの過電圧保護を提供します。

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フェイルセーフ
レシーバは、.
レシーバ入力がオープンの.
場合、または.
終端処理されたバス上のすべてのトランスミッタがディセーブルされている場合に、レシーバがロジックハイになることを.
保証します。
ホットスワップ
回路は、初期化時や通電中されているバックプレーンへの接続時に発生するデータケーブル上の不要な遷移を除去します。

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マキシムは、MAX13442E〜MAX13444Eた。このロジックハイの保証は、レシーなど、データ端子の高DC電圧に耐えるバスレッショルドを-50mV〜-200mVことができる多数のフォルト保護RS-の範囲に設定することによって実現され485/RS-422トランシーバを提供してます。差動レシーバ入力電圧(VA - VB)います。システムの複雑さと外付け保護が-50mVまたはそれ以上の場合、ROの必要性を低減するために、これらのは ロ ジ ッ ク ハ イ で す。(VA - VB) がフォルト保護内蔵デバイスのドライバ出-200mVまたはそれ以下の場合、ROは力とレシーバ入力は、グランドに対し最ロジックローです。終端処理されたバス

大±80Vの電圧フォルトに損傷なしで耐ですべてのトランスミッタがディセーブえることができます。デバイスがアクティルされている場合、レシーバの差動入ブ、シャットダウン、または電源が供給

力電圧は終端によってグランドにプルダされていない状態でも関係なく保護がウンされます。その結果、50mV (min)保証されます。これによって、これらののノイズマージンを備えたロジックハイデバイスは業界最堅牢のトランシーバが実現します。従来のフェイルセーフデになっており、そのため、産業アプリケーバイスとは異なり、-50mV〜-200mVションに最適です。これらのデバイスは、のスレッショルドはEIA/TIA-485規格の電源への直接短絡、誤配線フォルト、±200mVに適合しています。

コネクタ故障、ケーブル圧壊、および工具の適用ミスなどの過電圧フォルトにホットスワップ機能耐えるように設計されています。

ホットスワップ回路は、回路の初期化時や通電中されているバックプレーンへ真のフェイルセーフレシーバの接続時に発生するデータケーブル上多くのRS-485トランシーバが備える重の不要な遷移を除去します。短絡電流

要な機能の1つが真のフェイルセーフ回制限およびサーマルシャットダウン回路路で、レシーバ入力がオープンまたはは過度の消費電力からドライバを保護し短絡状態の場合、または終端処理されます。

たバス上のすべてのトランスミッタがディセーブルされた状態(ハイインピー活線状態の(または給電されている)バッダンス)の場合に、レシーバ出力がロジックプレーンに回路基板を挿入すると、クハイになることを保証します。真のDE、DE/RE、RE、およびレシーバ入力

フェイルセーフは、レシーバ入力スレッ

AとBに電圧過渡が発生し、データエラーショルドを-50mVおよび-200mVのわにつながる可能性があります。たとえば、ずかな負の差動電圧に変化させること最初の回路基板の挿入時に、プロセッによってバスエラーの問題を解決しましサはパワーアップシーケンスを実行しま

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す。この期間に、出力ドライバがハイインウン回路が透過的になり、ホットスワッピーダンス状態になると、トランシーバプ対応入力がリセットされます。のイネーブル入力を定義されたロジックレベルに駆動することができません。

この内部ホットスワップ回路は、どのよそれと同時に、ハイインピーダンス出うに動作するのでしょうか？ドライバイ

力からの最大10µAのリーク電流、またネーブル入力(DE)には、M1とM2の2はV CCまたはGNDからの容量性結合

つのnMOSデバイスがあります(図6)。

ノイズによって、入力が不正なロジックVCCがゼロから立ち上がるとき、内部状態にドリフトする可能性があります。

15µsタイマーが M2をオンにし、SRラッ

このような状態の発生を防止するためチをセットして、それがM1もオンにしに、MAX3440E〜MAX3443Eなどのます。トランジスターM2 (2mA電流シ

デバイスはDE、DE/RE、およびREにホッンク)およびM1 (100µA電流シンク)が、トスワップ入力回路を備え、ホットス5.6kΩの抵抗を介してDEをGNDにプワップ状態での不要なドライバのアクルダウンします。M2は、DEをハイに駆ティブ化を防いでいます。VCCが上昇す動する可能性がある最大100pFの外部るとき、内部プルダウン(またはREの場寄生容量に対抗して、DEをディセーブ合はプルアップ)回路が少なくとも10µsル状態にプルダウンします。15µs後、の間、かつDEへの電流が200µAを超えタイマーによってM2はオフになります

るまで、DEをローに維持します。最初

が、M1はオンのままで、DEをハイに駆のパワーアップシーケンス後は、プルダ動する可能性があるスリーステートリー
ク電流に対抗してDEをローに維持します。M1は、外部電流ソースが必要な入VCC力電流を超えるまでオンのままです。そ15µsの時点で、SRラッチがM1をリセットし、TIMER
TIMERオフになります。M1がオフになると、DEは標準のハイインピーダンスCMOS入力に戻ります。VCC が1Vを下回るた

DE(HOT SWAP)

びに、入力がリセットされます。REの5.6kΩ

100µA

相補型回路は、2つのpMOSデバイスを2mA

M1

M2使用してREをVCCにプルアップします。

図6. ドライバイネーブル端子(DE)の.
簡略構造

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結論
ファクトリーオートメーションなどの産業システムアプリケーションは、過酷な電気的環境に晒されます。システムレベルの設計者にとって、これらの条件に耐えることができるハードウェアを開発する際に、いくつかの発生源からの電圧過渡を考慮に入れることが非常に重要です。ほとんどのデータ通信ネットワークは、RS-485プロトコル規格の堅牢性とともに、トランシーバICに組み込まれた特別な安全性機能によって、これらの影響に耐えています。拡張ESD保護、高電圧フォルト保護、ホットスワップ機能などの構造は、これらが発生した場合の保護を提供し、システムの信頼性維持に役立ちます。

参考文献
1. アプリケーションノート4491 ｢稲妻または静電気スパークによる損傷−それは身長で決まります！｣
2. アプリケーションノート5260 ｢過酷な産業環境のための設計について｣
3. アプリケーションノート639 ｢ESD保護をリードするマキシム｣

さらに詳しく
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