CN0416

RS-485バス規格

RS-485バス規格は、マルチドロップ通信リンクと最大1200mの長距離データ転送が可能なローカル・ネットワークを必要とする工業用アプリケーションにおいて、最も広く使われている物理層の1つです。ケーブル長12mまでは10Mbpsのデータ・レートを実現可能ですが、図2に示すように1200mでは100kbpsに低下します。

RS-485バス規格の仕様の一部と、ADM2682EおよびLTC2865が提供する拡張仕様を表1に示します。

これらのトランシーバー・デバイスの詳細については、それぞれのデータシートを参照してください。ADM2682EとLTC2865の拡張仕様は、公称値上は仕様を満たすものの、場合によっては規格を下回る可能性があるようなシステムの信頼性を向上させます。例えば、工場内にある2つの装置キャビネットを、共にアース・グラウンドに接続できる場合を考えます。このときのグラウンド間の電圧差は数VACに過ぎません。しかし、一方のキャビネットがESDを受けると、そのコモンモード電圧が一時的に20Vに達することがあります。LTC2865はこのような状態に対応可能ですが、単に規格を満たしているだけのトランシーバーでは、データが破損したりトランシーバー自体が故障したりすることがあります。

ADM2682Eではコモンモード許容値が大幅に向上しており、25kV/µsの過渡耐圧と、5000Vのデバイス間電位差（1分間、UL1577による）に耐えることができます。安全性と規制に関する認定の詳細については、ADM2682Eのデータシートを参照してください。

EVAL-CN0416-ARDZには絶縁型トランシーバーと非絶縁型トランシーバーが含まれているので、エンド・アプリケーションの実際の条件と実装を決定する際の助けとなります。

回路は4個のオンボード・イーサネット・ジャックを備えていますが、このうちの2個が絶縁型通信用、別の2個が非絶縁型通信用です。イーサネット・ケーブルはRS-485アプリケーションに使用することを意図したものではなく、インピーダンスはRS-485用の120Ωに対して100Ωです。ただし一般的なCAT5ケーブルとCAT6ケーブルが広く普及しているので、開発時にプロトタイプ・システムを構築する便利な手段として使用できます。また、イーサネット・ポートの各ペアはピンがクロス配置になっているので、マルチノード・システムにストレート・イーサネット・ケーブルを使用することができます。更にRS-485信号への接続ポイントが設けられているので、容易に他のコネクタを使用したり、アプリケーションのRS-485ケーブルに直接配線することができます。

RS-485バスのノード容量 

ADM2682EとLTC2865は、共に最小96kΩ、1/8ユニット負荷のインピーダンスを備えており、1つのバス・システムに最大で256個のノードを接続できます（RS-485規格の仕様に規定されているレシーバー入力インピーダンスは12kΩで、最大ノード数は32個）。

終端

終端の一般的なガイドラインは、ケーブル伝搬遅延の4倍未満の立上がり／立下がり時間で信号伝送ラインを終端することです。標準的なCAT5ケーブルの伝搬遅延は4.8ns/m～5.3ns/mで、ADM2682EとLTC2865の最大立上がり／立下がり時間は15nsです。したがって、長さ0.78mを超えるラインについては、終端を使用することを推奨します。最も望ましいのは、すべてのRS-485システムを適切な方法で終端することです。

図3に示す回路は、RS-485ラインの終端を差動抵抗またはオープン状態に設定します。絶縁型通信にはS7を、非絶縁型通信にはS6を使用してください。全二重RS-485規格では、マスタ・ノードと最も遠いスレーブ・ノードを終端する必要があります。

半二重接続の場合は伝送ケーブルの両端を終端してください。終端抵抗の値は、ケーブルの特性インピーダンスと同じにする必要があります。CAT5ケーブルの場合は100Ωです。デフォルトの回路では100Ωの終端抵抗が使われますが、ハンダ接続により標準のRS-485終端抵抗である120Ωに設定することができます。オープン終端および抵抗終端のRS-485通信の長所と短所を表2に示します。

半二重動作 

図4に示す回路は通信を半二重モード動作に設定できます。スイッチS5は絶縁型通信用、スイッチS4は非絶縁型通信用です。ドライバの非反転出力はレシーバーの非反転入力に短絡され、ドライバの反転出力はレシーバーの反転入力に短絡されます。これは2線式RS-485ネットワークを使用可能にする構成ですが、バスが一度に対応できるのは1方向のデータ伝送だけです。ドライバとレシーバーのイネーブル・ピンは、1つのドライバだけをイネーブルしてデータを送信できるようにする必要があります。3個のスレーブ・ノードで構成される半二重絶縁型RS-485通信のセットアップを図5に示します。スレーブ・ノードは同じイーサネット・ジャックを介して接続します。例えば、スレーブAのP5は、ストレートスルーのCAT5ケーブルを使ってスレーブBのP5に接続します。マスタ・ノードは、反対側のイーサネット・ジャックを介してスレーブ・ノードに接続します。例えば、スレーブAのP5は、ストレートスルーのCAT5ケーブルを使ってマスタ・ノードのP4に接続します。

全二重動作 

図5に示す回路は通信を全二重モードに設定できます。S5は絶縁型通信用、S4は非絶縁型通信用です。全二重モードでは、回路はすべてのレシーバーとドライバの入力と出力をそれぞれ使用します。これにより4線式RS-485ネットワークを使用し、マスタ・ノードとスレーブ・ノードの間で、両方向のデータ伝送を同時に行うことができます。3個のスレーブ・ノードで構成される全二重非絶縁型RS-485通信のセットアップを図6に示します。ストレートスルーのイーサネット・ケーブルを使用する場合、スレーブ・ノードは同じイーサネット・ジャックを介して接続します。例えば、スレーブAのP6は、ストレートスルーのCAT5ケーブルを使ってスレーブBのP24に接続します。マスタ・ノードは、反対側のイーサネット・ジャックを介してスレーブ・ノードに接続します。例えば、スレーブAのP6は、ストレートスルーのCAT5ケーブルを使ってマスタ・ノードのP24に接続します。

真のフェイルセーフ・レシーバー入力 

マルチノード・システムでは、すべてのノードが受信モードになると、バス・アイドル状態になります。バス・アイドル状態での差動入力電圧は0Vです。前世代のRS-485レシーバーでは、バス・アイドル状態で誤ったデータが生成されるのを防ぐために、外部のフェイルセーフ終端とバイアスが必要でした。ADM2682EとLTC2865は、共に外部回路なしでバス・アイドル状態に対応できます。

ADM2682Eは真のフェイルセーフ・レシーバー入力を備えており、差動入力スレッショールド電圧は−200mV～−30mVです。したがって、0V差動入力電圧は定義されたロジック・レベルとして受け入れられ、ランダムなエラー・データがシステムに入り込んだり影響を及ぼしたりするのを防ぎます。

デバイスの入力スレッショールド電圧を調整する必要がある場合は、この調整によってレシーバー出力のデューティ・サイクルが非対称になりますが、これは入力信号レベルが小さいときや入力エッジ・レートが低いときには更に悪化します。LTC2865では、入力スレッショールド電圧の調整なしで完全なフェイルセーフ動作が可能です。LTC2865では、入力スレッショールド電圧を調整する代わりに内部ウィンドウ・コンパレータを使用して、入力電圧が正の閾値と負の閾値の間の範囲まで低下したかどうかを判定します。このフェイルセーフ状態が3µsを超えて続くと、フェイルセーフ状態がアサートされ、信号がハイ状態になります。

信号と電源の絶縁 

CN-0416回路は、スイッチS2を介して、ADM2682Eを通じた絶縁型通信か、LTC2865を通じた非絶縁型通信のどちらかを使用するように設定できます。

ストレートスルーのイーサネット・ケーブルを使って2つのスレーブ・ノードの絶縁型イーサネット・ジャックと非絶縁型イーサネット・ジャックを接続する場合は、P4をP24に、P5をP6に接続してください。これに対し、同じ状況でマスタ・ノードとスレーブ・ノードを接続するときは、P4をP6へ、P5をP24へ接続します。同じ電気システムを使用してすべてのノードに電源を供給する場合は、それらをすべて同じアース・グラウンドに接続すれば、グラウンド電位の異なるノード間をグラウンド電流が流れることによって生じるノイズを減らすことができます。アース・グラウンドが1つだけの構成にする場合は、非絶縁型RS-485通信が最も適しています。 

各ノードへの電源供給に異なる電気システムを使う場合、特にそれらがそれぞれ異なるビル内に置かれているような場合は、アース・グラウンドのインピーダンスが大きくなることが考えられ、それによって、ノード間に電流が流れる可能性が高くなります。グラウンド電流が予想される状況では、絶縁型RS-485通信を使用する必要があります。ADM2682Eは、アナログ・デバイセズのiCoupler^®データ・チャンネルを使用して、5kVrmsの信号絶縁を実現します。同時に、アナログ・デバイセズのisoPower^®集積化絶縁型DC/DCコンバータを使用して、5kVrmsの電源絶縁も実現します。