製品・技術情報
RS-422/485について
- 2009.12.10
アプリケーションノート / 第2章 システムの構築
ネットワーク・トポロジ
ネットワーク構築に関しては、RS-422 や RS-485では定義されておりません。デザイナーは、大抵システムの物理的な仕様に最も適した構築を行います。
2線式、または4線式のシステム
RS-422システムには、各々の信号、送信のペアー、受信のペアー、およびそれぞれのハンドシェーク／制御信号(必要であれば)用に専用にペアーのケーブルが必要となります。RS-485のトライステート機能により、一つのペアー線で半二重通信として送信と受信の信号を共有することが可能です。この2線式の構築(追加のグランド線が使用されることに注意して下さい。)により、ケーブル配線の費用を抑えることが出来ます。RS-485デバイスは、2線式システムとして屋内、または屋外での構築に使用さされます。屋内に構築されるRS-485のデバイスは、単純にA、Bの接続(時には、"＋"、"-"と表示される)を行います。
4線式通信のために構築されるデバイスは、送信と受信ペアーの双方に対してA、B接続を行います。ユーザは、2線式構築を行うために受信ラインに送信ラインを接続する事が出来ます。後半のタイプのデバイスは、システム・デザイナが構築を行うのに最も柔軟性にとんだものとなります。システムの中では、信号グランドも接続する必要がありますので注意して下さい。この接続は、安全な範囲内では、受信側でVcmコモン・モード・電圧を保持する事が必要です。インタフェース回路は、信号グランド接続無しでも動作しますが、信頼性、ノイズ耐性が弱くなります。（図2.1）（図2.2）は、4線式、2線式システムの接続を示します。
（図2.2）通常のRS-485 2線式マルチドロップの構築
終端
終端は、使用される送信ラインのインピーダンスにノードのインピーダンスを合わせるのに使用されます。インピーダンスが合わない時には、送信された信号は負荷に完全には吸収されずに、一部は送信ラインに反射されます。ソース、送信ライン、負荷のインピーダンスが同じ場合、これらの反射は、発生しません。しかし終端にも不都合な面があります。終端することで、ドライバーの負荷やインストレーションの複雑さが増やし、バイアスの仕様変更が必要となり、またシステムの修正が困難になります。
終端を使用するかどうかの決定は、システムで使用されるケーブルの長さとデータ転送速度を基に考える必要があります。経験から言えば、データラインの伝搬遅延が1ビット幅より狭い場合、終端は必要ありません。このルールは、反射はデータラインを何回か行ったり来たりして減衰することを仮定しています。受信しているUARTは、ビットの中間でデータをサンプリングしますので、信号のレベルはそのポイントで決められると言うことが重要です。例えば、2,000フィートのデータラインを使用するシステムでは、伝搬遅延は、ケーブルの伝搬速度に基づいてケーブル長を増やすようにして計算することが出来ます。通常ケーブルメーカーでは、光のスピード(C)の66%～75%の値を使用しています。
例として往復で4,000フィートのケーブルを使用するとします。0.66 x Cの伝搬遅延を使用すれば、一往復で約6.16μsになります。もしも反射がケーブル長を3往復行ったり来たりして減衰するとすれば、信号はビット先端の後ろ18.5μsが安定に保つようになります。9,600ボーで1ビットは、104μsの幅です。反射は、ビット中央の後で大きく減衰しますので、終端の必要がありません。
データラインの終端には、いくつかの方法があります。B+B SmartWorxで推奨する方法は、パラレルの終端です。ケーブルのメーカー（120オームが一般的な値）で規定されているデータラインの特性インピーダンスに合わせるように、抵抗はレシーバのA、Bラインにパラレルに追加します。この値は、送信ラインの固有のインピーダンスを現し、線長による相関的な要素ではありません。90オーム以下の終端抵抗は、使うべきではありません。終端抵抗は、データラインの最も端にだけ置く必要があり、2カ所以上の終端は、リピータを使用しないシステムでは置くべきではありません。このタイプの終端は、システムに対して明らかに重いDC負荷を与え、RS-232CからRS-485への変換に電源を供給しているポートへ過大な電源消費を発生させます。別のタイプの終端であるACを組み合わせた終端は、DC負荷の影響を排除するために終端抵抗にシリーズに小さなコンデンサを追加します。この方法は、DC負荷を排除しますが、コンデンサの選択はシステムの特性に大きく依存します。AC終端に興味あるシステム・デザイナで、もっと詳細の情報を見たい場合には、ナショナル・セミコンダクター・アプリケーション・ノート903（注2）を読んで下さい。（図2.3）には、RS-485 2線式ノードに関してパラレル終端とAC終端の両方の終端を示します。4線式のシステムでは、終端をノードのレシーバ部分に置きます。
（注2）ナショナル・セミコンダクター・アプリケーション・ノートに関する情報は、7章を参照して下さい
（図2.3）パラレル終端とAC終端
RS-485ネットワークのバイアス
RS-485ネットワークがアイドル状態の時に、全てのノードはリスン(レシーブ)モードになります。この状態では、ネットワーク上にアクティブな装置はありません。全てのドライバーは、トライステートになります。ネットワークをドライブするものが何もない状況では、ラインの状態は不明です。レシーバAとBの入力端電圧レベルが、±200mV以下の場合には、レシーバの出力端での論理レベルは、最後に受信したビットの値になります。特定のアイドル電圧状態を維持する目的で、データラインをアイドル状態にするためには、バイアス抵抗を使用する必要があります。 バイアス抵抗は、データBライン上では、プルアップ抵抗(通常5ボルトへ)であり、データAラインではプルダウン抵抗(グランドへ)です。（図2.4）は、2線式システムでのトランシーバのバイアス抵抗の配置を示します。４線式システムでのバイアス抵抗は、レシーバ・ライン上に置く必要があるので注意が必要です。バイアス抵抗の値は、システムでの終端とノードの数に依存します。目的は、BとAのデータライン間で200mVの最小値を維持するためにネットワークの中で十分なＤＣバイアス電流を流すことです。バイアス抵抗の計算に関して、次の2つのサンプルを考えてみて下さい。
（図2.4）バイアス抵抗を用いたトランシーバ
例1．120オームの2つの終端を使用した10ノード、RS-485ネットワーク
それぞれのRS-485ノードは、12KΩの負荷インピーダンスを持っています。パラレルで10ノードでは、1200Ωの負荷になります。それに加えて120Ωの2つの終端抵抗により別の60Ωの負荷が加わることになり、合計では57Ωの負荷となります。負荷の大半は、終端抵抗になることは明らかです。BとAライン間を少なくとも200mVになるように維持するには、負荷に3.5mAのバイアス電流を流す必要があります。5V供給からこのバイアスを得るためには、合計で1,428Ωかこれ以下のシリアル抵抗が必要となります。負荷の一部である57Ωを引くと、1,371Ωが残ります。5Vへのプルアップとしてこの値の半分を使用し、グランドへのプルダウンとして半分を使用すると2つのバイアス抵抗のそれぞれに対して685Ωの最大バイアス抵抗値となります。
例2．終端を使用しない32ノード、RS-485ネットワーク
RS-485ノードのそれぞれは、12KΩの負荷インピーダンスを持ちますので、32ノードのパラレルでは、合計の負荷が375Ωになります。375Ωを使用して少なくとも200mVを維持するためには、0.53mAの電流が必要です。5V供給からこの電流を得る為には、合計で最大9,375Ωの抵抗が必要です。この合計375Ωはレシーバの負荷ですので、バイアス抵抗は9KΩかこれ以下を付加する必要があります。終端なしのシステムでの必要なバイアス電流は、非常に小さくなりますので注意して下さい。
バイアス抵抗は、ネットワークの中でどこに置いても構いませんし、複数のノードで分割する事も可能です。システムの中での全てのバイアス抵抗のパラレル結合値は、計算上のバイアス値より小さいか同等です。一般には、全てのRS-485製品の中に4.7KΩのバイアス抵抗を使用します。この値は、終端無しのほとんどのシステムに適合します。システム・デザイナは、ネットワークのバイアス値を常に計算する必要があります。低いバイアスの場合の症状は、範囲がノイズ耐性の減少からデータの完全な破壊にまでおよびます。過剰なバイアスは、システム上で効果がなく、またほとんどの場合結果としてドライバーの負荷を増やすことになます。RS-232C から RS-485への変換に電源を供給しているポートを使用しているシステムは、過剰なバイアスの影響を受け易くなります。
仕様の拡張
システムによっては、RS-422 や RS-485でサポートされている仕様より多くのノードや、長い距離が必要になる場合があります。これらの障壁を克服するために、一般的にはリピータを使用します。負荷を複数セグメントに分割する目的で、B+B SmartWorxの485OPのような RS-485のリピータをシステムの中に配置することが可能です。それぞれの"リフレッシュ"信号により、更に4000フィートのケーブルと、追加で31のRS-485ノードを駆動する能力があります。
RS-485ノードの数を増やすその他の方法は、低負荷タイプのRS-485レシーバを使用する事です。これらのレシーバは、RS-485ドライバー上の負荷を減らして合計のノード数を増やすために、高入力インピーダンスを使用します。
現在は、負荷を半分、1/4にするICを使用したレシーバが可能で、合計ノード数を64から128に拡張可能です。