長距離・高速伝送ができるRS485通信

■問題

【 LTC2862 】

小川　敦　Atsushi Ogawa

　図1は，RS485通信IC(LTC2862-1)を使用した，データ通信回路です．左側の測定機器と右側の制御機器でデータ通信を行います．ここで使用されている，RS485通信規格に対する説明として，適切なものは，(a)～(d)のどれでしょうか．

図1　S485通信IC(LTC2862-1)を使用した，データ通信回路
測定機器と制御機器でデータ通信を行う．

(a) 信号線Aと信号線Bを使用することで，機器間の同時双方向通信ができる
(b) 信号線Aと信号線Bによる差動信号を使用することで，ノイズ妨害を受けにくい
(c) 信号は，GNDを基準として，+3V以上を「0」，-3V以下を「1」と定義している
(d) 通信は1:1通信に限られ，複数の機器を同一信号線に接続することはできない

■ヒント

　シリアル通信規格としては，RS232Cが有名ですが，そのRS232Cの課題を改良したものがRS485です．LTC2862-1の内部ブロック図と，RS232Cの課題を改良したものであるという点を踏まえて，考えてみてください．

■解答

(b) 信号線Aと信号線Bによる差動信号を使用することで，ノイズ妨害を受けにくい

　図1のLTC2962-1の内部ブロック図をみると，信号線BのTX(出力)とRX(入力)共に「○印」が付いています．これは信号の反転を示すもので，信号線Aと信号線Bが差動信号となっていることを表しています．差動信号を使用することで，コモンモード・ノイズの影響を受けにくくなります．したがって正解は(b)になります．
　信号線Aと信号線Bは，ペアで1つの信号として使用するため，(a)は不正解です．また，差動信号を使用しているため(c)の信号の定義も不正解です．RS232Cは1:1通信ですが，RS485は複数機器が接続できるように改良されています，そのため，(d)も不正解ということになります．

■解説

●シリアル通信の基本とRS232C
　シリアル通信は，データをビット列に変換して1ビットずつ送信する方法です．図2のように"a"という文字を送信する場合は，"a"のアスキー・コードを2進数"01100001"に変換し，1ビットずつ順番に送信します．実際は，ここに，データの始まりを表すスタート・ビットと，終わりを示すストップ・ビットが追加されます．1秒間に転送できるデータ量(ビット数)をビット・レートと呼び，単位はbbsです．この数字が大きいほど高速にデータ転送できることになります．

図2　シリアル通信のイメージ図
シリアル通信は，データをビット列に変換して1ビットずつ送信する．

　RS232Cでは，RX端子とTX端子を図3(a)のように接続し，データの送受信を行います．2本の信号線を使用することで，機器間の同時双方向通信ができます．
　図3(b)は，TX端子から出力される信号の一例です．受信側では+3V以上を「0」また，-3V以下を「1」と判断するため，1のときに-10Vを出力し，0のときは+10Vを出力しています．
　このように，信号の振幅が大きいため，ケーブルが長くなりケーブルの静電容量が大きくなると，出力段の負担が大きくなります．一般的には，RS232Cで使用できるケーブル長は15m以下で，通信速度は20kbps以下とされています．また，RS232Cは，2つの機器間で1:1通信を行うもので，複数の機器で同一の信号線を共有することはできません．

図3　RS232Cのデータ送受信方法
受信側では+3V以上を「0」，-3V以下を「1」と判断する．

●RS232Cの課題を解決した差動信号のRS485
　RS232Cは，広く普及した規格でしたが，いくつか課題もあったため，その課題を改善したRS485が考えられました．RS485では図4(a)のように2本の信号線(ツイスト・ペア・ケーブル)を使用し，差動信号でデータを送受信します．AとBの2つの信号は，図4(b)のように逆位相になっています．受信側ではA，B間の差電圧が-200mV以下のときに「1」と判断し，差電圧が+200mV以上で「0」と判断します．信号振幅が小さいため，出力段の負担が軽く，高速通信が可能となります．また，差動信号とすることでコモン・モード・ノイズの影響を受けにくくなり，遠距離通信ができます．
　RS485では通信ケーブルが短ければ，40Mbps以上の高速通信が可能です．また，通信速度は落ちますが，1200mといった長い通信ケーブルを使用することもできます．ただし，送信と受信に同じ信号線を使用しているため，同時送受信はできず，機器は交互に送受信を行うことになります．

図4　RS485のデータ送受信方法
2本の信号線を使用し差動信号でデータを送受信する．

　また，RS485では，図5のように結線することで，3台以上の機器を同一信号線に接続できます．

図5　RS485機器の接続方法
3台以上の機器を同一信号線に接続できる．

●RS485通信の動作を確認する
　図6は，RS485通信IC(LTC2862-1)の動作をシミュレーションする回路です．2つの LTC2862-1(U₁，U₂)で，交互にデータの送受信を行うシミュレーションをします．
　VDI₁でU₁の入力データを作り，VDI₂でU₂の入力データを作っています．そして，VDE1が3.3Vになったときに，U₁からA，B端子にデータが出力され，VDE2が3.3Vになると，U₂からA，B端子にデータが出力されます．そして，U₁が受信したデータがRO1に出力され，U₂が受信したデータがRO₂に出力されます．

図6　RS485通信IC(LTC2862-1)の動作をシミュレーションする回路
2つのLTC2862-1(U₁，U₂)で交互にデータを送受信する．

　図7は，図6のシミュレーション結果です．上段が送受信の制御信号で，中段がA端子およびB端子の波形です．A端子とB端子には，U₁の出力とU₂の出力が両方現れています．また，その出力信号は逆位相となっていることが分かります．
　下段が，U₁およびU₂の受信データです．U₁がデータを出力したときは，U₂に受信データが現れ，U₂データを出力したときは，U₁受信データが現れています．このように，2つの LTC2862-1(U₁，U₂)で，交互にデータの送受信ができていることが分かります．

図7　RS485通信IC(LTC2862-1)の動作のシミュレーション結果
2つのLTC2862-1(U₁，U₂)で，交互にデータの送受信ができている．

●コモン・モード・ノイズがある場合
　LTC2862-1の同相入力範囲は，±25Vと非常に大きくなっています．そのため，かなり大きなコモン・モード・ノイズがあっても，正常に動作できます．
　図8は，コモン・モード・ノイズがあるときの動作をシミュレーションする回路です．図6のU₂のGNDをGというノードに変更し，Gに対し，コモン・モード・ノイズとして40V_PPで1MHzの正弦波を加えています．

図8　コモン・モード・ノイズがあるときの動作をシミュレーションする回路
コモン・モード・ノイズとして40V_PPで1MHzの正弦波を加えている．

　図9が図8のシミュレーション結果です．上から1段目は，送受信の制御信号です．
　2段目は，GND基準のA端子およびB端子の波形です．これは，U₁の入力波形を表しています．
　3段目は，ノードGを基準とした，A端子およびB端子の波形です．これは，U₂の入力波形を表しています．U₁の入力波形とU₂の入力波形，どちらにも，かなり大きなコモン・モード・ノイズが重畳しています．
　4段目は，U₁およびU₂の受信データです．どちらも正常に受信できていることが分かります．
　このように，LTC2862-1を使用したRS485通信回路は，巨大なコモン・モード・ノイズが重畳されても，正常に通信できることが分かります．

図9　コモン・モード・ノイズがあるときのシミュレーション結果
巨大なコモン・モード・ノイズが重畳されても，正常に通信できている．

　以上，RS485通信IC(LTC2862-1)について解説しました．LTC2862-1の詳しい使用方法については，LTC2862シリーズのデータシートを参照してください．

◆参考・引用*文献
アナログデバイセズ：LT2862シリーズ・データシート
アナログデバイセズ：RS-485：今なお最も堅牢な通信
アナログデバイセズ：RS-232トランシーバの進化

■データ・ファイル

解説に使用しました，LTspiceの回路をダウンロードできます．
LTspice10_031.zip

●データ・ファイル内容
LTC2862-1.asc：図6の回路
LTC2862-1.plt：図7のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル
LTC2862-1_CN.asc：図8の回路
LTC2862-1_CN.plt：図9のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル