この記事でわかること
・RS-422とRS-485の違いと特徴
・RS-422/RS-485の接続方法（2線式と4線式）
・RS-422/RS-485通信回路例（絶縁回路、USB変換など）
前回解説したRS-232Cは短距離・低速のシリアル通信方式ですが、
長距離・高速化したインターフェースとして、RS-422やRS-485があり、
主に産業装置の通信用に用いられています。
本記事では、RS-422とRS-485の違いと特徴、接続方法について解説し、
定番インターフェースICを用いた通信回路も紹介します。
RS-232Cについては下記記事で解説しています。
＜注意点＞
本記事はRS-422/RS-485通信を使用する際の基礎知識を説明することが目的であり、
解説する製品の機能や回路の動作を保証するものではありません。
ここで紹介する設計方法が適切で無い場合がある為、
使用の際は、デバイスのデータシートを必ず確認の上、
回路への利用については自己責任でお願いします。
RS-422/RS-485規格について
ここで紹介するRS-232Cをはじめ、RS-422、RS-485などの通信規格では、
通信信号の電圧レベルや、通信速度、伝送距離などの電気的特性(物理層 ※1)を規定したもので、
通信データの形式や通信手順などは定められていません。
※1：国際標準化機構(ISO)が通信機能を規定したOSI参照モデルにおいて、
7つの階層のうちの最初の第1層に該当し、物理的な接続ルールを定義している。
OSI(Open Systems Interconnection：開放型システム間接続)
どの通信規格でも、通信データの形式はUART(※2)（ユーアート）と呼ばれる
非同期式シリアル通信方式が多く使われていますが、
通信手順は装置によって独自に定義されているのが一般的です。
※2：Universal Asynchronous Receiver Transmitter（汎用 非同期式 送受信機）
UARTについては下記記事で解説しています。
規格名の先頭にあるRSはRecommended Standard（推奨規格）を意味していますが、
これらの規格は米国のANSIが認定し、TIAやEIA(※3)によって策定されたものなので、
正式には先頭にANSI/TIA/EIAがついた規格名になります。
※3：ANSI（American National Standard Institute：米国規格協会）
TIA（Telecommunications Industry Association：米電気通信工業会）
EIA（Electronic Industry Association：米電子工業会 現在は解散してTIAが引継いでいる）
このため、正式名称はRS-422はANSI/TIA/EIA-422で、
RS-485はANSI/TIA/EIA-485ですが、一般的にはRS-422やRS-485と呼ばれています。
RS-422の特徴
RS-422はRS-232Cを高速及び長距離化したインターフェースとして制定された通信規格で、
平衡伝送方式の採用によりノイズの影響が少なくなり、伝送速度は10Mbps 、
伝送距離は1200ｍとなっています(※)。
※10Mbpsは伝送距離1.2ｍまで、1200ｍは伝送速度100kbpsまで
ここで言う平衡（へいこう）とは、2つの信号線が釣り合っていることを意味します。
具体的には1本の信号線に対し、もう一方が逆の極性を持つ信号を送信することで、
2つの信号電圧(VA,VB)の電位差(VD：差動電圧)で伝送を行う通信方式です。
VA＞VB（VDが正）ならHレベル（論理1）
VA＜VB（VDが負）ならLレベル（論理0）
2本の信号は差動信号と呼ばれ、差動（differential：ディファレンシャル）伝送とも言います。
RS-232Cなど通常の1本の信号線による伝送は不平衡伝送（シングルエンド）伝送と呼ばれ、
ケーブルにノイズが入ると、受信側もノイズが加わった状態の電圧信号を受け取りますが、
平衡伝送では2本の信号に同じノイズが入っても、受信側は2つの電位差を見るため、
ノイズが相殺（除去）された状態の電圧信号を受け取ることができます。
差動電圧VDの入出力レベルですが、上図のようになっており、
受信側であるレシーバはVDが+0.2V以上でHレベル、-0.2V以下でLレベルと判定します。
送信側のドライバはケーブルでの電圧降下やノイズの影響を考慮しマージンを取っており、
RS-422の場合、Hレベル出力時は+2V以上(※)、Lレベル出力時は-2V以下で送信されます。
※開放電圧の1/2以上も条件に含まれる。開放電圧については後述。
RS-422の構成は基本的に1対1の伝送を行いますが、伝送速度が100kbps未満の場合、
1対10伝送（1台のマスター(親機)から、10台のスレーブ(子機)への送信(※)）が可能です。
※スレーブ側から送信できるのは1台のみ
配線構成は、送信と受信それぞれに差動信号があり、信号線4本を使うので4線式と呼ばれ、
送受信を同時に行うことができることから、全二重通信方式になります。
終端抵抗Rtは送信された信号がケーブル終端に到達した際に、
反射波によって信号波形が乱れるのを防ぐための緩衝材としての役割を持ちます。
この抑制効果を最大化するためにRtはマスタのレシーバと、最も遠いレシーバの2か所に設け、
抵抗値はケーブルの持つ特性インピーダンスと同じ（100～120Ω程度）にします。
RS-485の特徴
RS-485はRS-422と同じ平衡伝送方式で、伝送速度や伝送距離はRS-422と同性能ですが、
バス接続が可能となっており、規格上では32対32(※)の伝送を行うことができます。
※32台どれもが送受信できるが、同時に送信できるドライバは1台のみ
RS-485インターフェースICにはレシーバの高入力インピーダンス（低入力電流）化により
伝送に必要な電流を低減したことで、128台や256台などの多数接続が可能なものがあります。
配線構成は送信と受信を共通の差動信号で行う2線式が主に使用され、
送受信を同時に行うことができない半二重通信方式となります。
RS-422と同じ4線式（全二重通信）で使用することもできますが、
複数台接続の場合、配線が複雑でコストがかかることから、あまり使われません。
終端抵抗Rtについては、2線式の場合はケーブルの両端部分に設け、
4線式はRS-422と同様、マスタのレシーバと、最も遠いレシーバの2か所に設けます。
差動電圧VDの入出力レベルについては、レシーバはRS-422とほぼ同じ(※)です。
※電圧の上限は異なる。
ドライバについては±1.5V以上とRS-422の±2Vより低いですが、
多数のレシーバを接続することから、負荷抵抗の条件が54Ωと半分程度に小さくなっており、
ドライバは電圧を維持するため、より多くの電流を流す能力が求められます。
RS-422とRS-485の違いについて
下記は両規格の比較表になります。また、各電気的特性の測定条件を図に示します。
RS-485はRS-422の上位互換規格であり、基本的にはRS-485規格を満たせば、
RS-422も満足するため、RS-485インターフェースICの4線式タイプの多くは、
RS-422に使用することが可能です。
＜コネクタ・ケーブルについて＞
D-Subコネクタが指定されているRS-232Cと違い、両規格ともコネクタの指定はありませんが、
一般的には端子台(※)が使用されています。
※RJ45(LAN)コネクタやD-subコネクタを用いる場合もある。
使用するケーブルについても指定はありませんが、ノイズの影響を低減するために
シールド付きのツイスト ペア ケーブルを使用するのが望ましく、
太さはAWG24～AWG16程度が利用されています。
また、安価なシールド無しケーブルでもノイズの影響を受けることなく通信ができるように
低速で用いられていることが多いです。
代表的な転送速度である9600bpsは、機器に接続した操作パネル等との通信において、
ボタンやレバーを押したり、コマンド入力で設定する程度の操作であれば十分な速度であり、
マイコンを使う際も、専用のシリアル通信端子でなく、通常のI/O端子を用いたソフト制御でも
シリアル通信を行うことが可能です。
RS-422／RS-485通信回路
RS-485準拠のレシーバやドライバの電気的特性はRS-422を満たすように規定されているため、
RS-485インターフェースICの多くはRS-422にも使用できます。
ここでは、RS-485インターフェースICの定番品であるアナデバ(※)製MAX485を紹介します。
※元々はマキシム製でしたが、アナログデバイセズ（アナデバ）に吸収
このICは5V電源駆動(※)の8pinパッケージで、ドライバとレシーバを1個づつ内蔵し、
ドライバ出力とレシーバ入力は共通端子(A,B)となっていることから、2線式に対応しています。
※3.3V電源駆動タイプにMAX3485があります。
ピン配置は、初期の定番ICだったTI(※)製SN75176とピンコンパチとなっており、
他メーカのRS485インターフェースICの多くも同じピン配置です。
※テキサス・インスツルメンツ
RS-485の4線式やRS-422通信を構成したい場合は、
ドライバ出力(Y,Z)とレシーバ入力(A,B)が独立した16ピンのMAX491や、
ドライバ／レシーバのイネーブル入力端子を省略した8ピンのMAX490などがあります。
上記の回路で、UART信号をRS-485通信で送受信した時の動作波形です。
（但し、通信相手側はMAX485ではない）
マイコンからのDIR信号がL時にレシーバが有効(RE＝L)となるため、
相手機器から送られてきたRS-485信号を受信し、ROに出力（RxDに入力）します。
次にマイコンから送信するため、DIR信号をHにしてドライバを有効(DE＝H)にし、
TxDからDIに入力したデータがRS-485信号で送信されています。
RS-485信号の測定はA端子とGND間で行っているため、差動電圧ではなくA端子電圧です。
また、本回路と通信相手側の機器で、H／Lの出力電圧レベルが違うことから、
RS-485信号の振幅が送信時と受信時で多少異なっています。
MAX485を使った通信回路例
＜注意＞
以下で紹介する回路については、メーカーのデーターシート等から引用したものであり、
動作を保証するものでは無いため、参考程度として下さい。
絶縁型RS-485通信回路
RS-485通信信号を装置本体から絶縁することで、相手機器の故障や雷によるサージ現象から
装置や操作する人間を保護する回路で、産業用装置でよく用いられます。
本例では、マイコンとMAX485の間にアイソレータを設けて、RS-485通信回路を絶縁します。
TI製アイソレータISO6442はパッケージ形状によって、基礎絶縁タイプと
強化絶縁タイプの2種類があるので、必要とする絶縁レベルに応じて選定しますが、
基板パターンや、この後に出てくる絶縁電源用のトランスも絶縁距離を確保する必要があります。
基礎絶縁or強化絶縁の選択や、絶縁距離を考慮したパターン設計については下記記事で解説しています。
通信用5Vはマイコン用5V電源を基に、プッシュプル式の絶縁型DC/DC電源から供給しています。
ここで使用しているTI製のSN6501は小型トランス用のプッシュプル・ドライバで、
絶縁トランスはWurth (ウルト) Electronics製で、SN6501向けの推奨品を使用しています。
（詳細はSN6501のデータシートを参照）
トランスからの出力電圧はダイオードを使って整流しますが、高速スイッチング動作が可能で、
順方向電圧が低いショットキーを使うことでダイオードでの損失を低減しています。
この電源回路は簡易な構成であり、出力電圧をフィードバック制御していないため、
負荷（出力電流）によって出力電圧が変動してしまうことから、
後段にLDOレギュレータを設けることで5Vに安定化させています。
LDOレギュレータについては下記記事で解説しています。
ここで紹介したアイソレータや絶縁型DC/DC電源を内蔵したADM2587（アナデバ）等の
絶縁型RS-422/RS-485インターフェースICもあります。
価格は非絶縁タイプよりも高いですが、設計が容易で、回路をコンパクトにできます。
RS-485信号の端子台付近にはサージ保護としてTVS(※)ダイオードを配置しています。
※TVS : Transient Voltage Suppressor 過渡電圧サプレッサ。ESD(静電気放電)保護用ダイオードとも呼ばれる。
R1とR2はTVSのクランプ電圧がMAX485の最大入力電圧よりも高くなる場合に設け、
TVSがクランプしきれなかった残留サージが電流として流れ込むのを抑制し、故障を防止します。
使用する抵抗は耐パルス性の高いものを使用します。
USBーRS-485変換回路
USBインターフェースの定番ICであるFT232RNを用いて、
USBコネクタからの通信をRS-485信号に変換する回路です。
ここでは、FT232RNのオプション設定について、CBUS信号をTXDEN（データ送信時にH）、
PWREN#（通常モード時にL）にします。
これによりFT232RNからMAX485にデータを送信時にTXDEN＝H＝DEとなるので、
MAX485のドライバがデータを送信し、FT232RNがスリープ状態の時はPWREN#=Hとなり、
レシーバは無効となるので、MAX485からの信号がFT232RNに入力されないようにしています。
本回路が回線の終端に接続された場合はジャンパーをショートし、終端抵抗を接続します。
FT232RNの詳細については下記記事で解説しています。
USB ー RS-422変換回路
RS-422は4線式なので、送信と受信で個別の入出力ピンを持つMAX491を使います。
（ここではセカンドベンダ品のマックスリニア製SP491を使用）
このICのREとDEピンは、先程のMAX485と同じイネーブル機能を持っています。
送信と受信信号は独立しているため、DEピンへの入力はTXENではなくSLEEP#を使用し、
通常状態(SLEEP#=H、PWREN#＝L)時はDE=H、RE＝Lとなることで送受信ともに有効となり、
スリープ状態(SLEEP#=L、PWREN#＝H)ではその逆で、送受信ともに無効にします。
SP491の最大転送速度は5Mbpsですが、本回路はFT232RNの上限である3Mbpsに制限されます。
