フィールドバスでさらに速く、さらに進む

PROCENTECなどの業界の専門家は、RS-485ベースのフィールドバス技術の採用が着実に伸びていることを示しています（PROFIBUS ^® ）および産業用イーサネット（PROFINET）の急速な成長。 2018年には、世界中に6,100万のPROFIBUSフィールドバスノードが設置され、PROFIBUSプロセス自動化（PA）は前年比で7％増加しました。 PROFINETのインストールベースは2600万ノードで、2018年だけで510万台のデバイスがインストールされています。 ¹

RS-485フィールドバスの採用とインダストリー4.0のこの着実な成長により、スマートコネクテッドファクトリーの展開が加速し、フィールドバステクノロジーが最適化されていることを確認することで、スマートシステムを実現できます。最適化されたフィールドバステクノロジーは、EMCの堅牢性と信頼性の高いデータ伝送のバランスを慎重にとる必要があります。

信頼性の低いデータ送信は、システム全体のパフォーマンスを低下させます。モーションコントロールアプリケーションでは、フィールドバスは通常、単軸または多軸モーターの閉ループ位置制御に使用されます。図1に示すように、高いデータレートと長いケーブルが一般的です。位置制御の信頼性が低い場合、実際のパフォーマンスの低下は、マシンのスループットの品質が低下し、工場の生産性が低下することを意味します。ワイヤレスインフラストラクチャアプリケーションでは、フィールドバスは通常、アンテナの傾斜/位置制御に使用され、正確なデータ伝送が重要になります。モーションコントロールとワイヤレスインフラストラクチャアプリケーションの両方で、図1に示すように、さまざまなレベルのEMC保護が必要です。モーションコントロールアプリケーションは通常、電気的にノイズの多い環境で動作し、データエラーを引き起こす可能性があります。それに比べて、ワイヤレスインフラストラクチャは、露出した環境での間接的な落雷による損傷から保護する必要があります。

これらの要求の厳しいアプリケーションでは、信頼性の高いシステムとEMC特性を保証するために、ケーブルを介したRS-485トランシーバのタイミング性能を注意深く調べる必要があります。この記事では、いくつかの重要なシステムタイミングと通信ケーブルの概念を紹介します。クロックとデータの配信およびケーブル駆動機能を含む主要業績評価指標を提供します。次世代RS-485トランシーバーを使用する産業用アプリケーションの利点を示しています。

タイミングパフォーマンス

長いケーブル長にわたる高データレートでの信頼性の高いデータ伝送を検討する場合、ジッタやスキューなどのタイミングパフォーマンスの概念（多くの場合、低電圧差動信号（LVDS）に関連する）がRS-485にとって重要になります。 RS-485トランシーバーとシステムケーブルの両方によって追加されたジッターとスキューを調べる必要があります。

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図1.RS-485のEMC、データレート、およびケーブル長。 （出典：Analog Devices）

ジッターとスキュー

ジッタは、時間間隔エラー、具体的には信号遷移の予想到着時間とその遷移が実際に到着する時間との差として定量化できます。通信リンク内には、ジッタのさまざまな原因があります。各寄稿者は、本質的にランダムまたは決定論的のいずれかとして広く説明できます。ランダムジッターは、そのガウス分布から識別でき、半導体内の熱雑音と広帯域ショット雑音に起因します。確定的ジッタは、通信システム内のソースに起因します。たとえば、デューティサイクルの歪み、クロストーク、周期的な外部ノイズ源、または符号間干渉などです。 RS-485規格を使用する通信システムでは、データレートは100 MHz未満であり、これらの決定論的ジッタ効果がランダム効果よりも支配的です。

ピークツーピークジッター値は、決定論的なソースから生じるシステム全体のジッターの有用な尺度です。ピークツーピークジッターは、同じディスプレイ（一般にアイダイアグラムとして知られている）に多数の信号遷移を重ね合わせることにより、時間領域で調べることができます。これは、図2に示すように、無限の持続性を使用するオシロスコープのディスプレイ、またはオシロスコープの組み込みのジッタ分解ソフトウェアを使用して実現できます。 ²

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図2.時間間隔エラー、ジッター、およびアイ。 （出典：Analog Devices）

オーバーレイされたトランジションの幅はピークツーピークジッターであり、その間のオープンエリアはアイと呼ばれます。この目は、長いRS-485ケーブルの遠端にある受信ノードがサンプリングできる領域です。アイ幅を大きくすると、受信ノードにサンプリングのウィンドウが広くなり、ビットを誤って受信するリスクが軽減されます。利用可能な目は、主にRS-485ドライバーとレシーバーの両方および相互接続ケーブルからの決定論的なジッターの寄与によって影響を受けます。

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図3.RS-485通信ネットワークのジッターの主な原因。 （出典：Analog Devices）

図3は、通信ネットワークにおけるさまざまなジッタの原因を示しています。 RS-485ベースの通信システムでは、タイミングパフォーマンスの2つの主要な要因は、トランシーバーのパルススキューとシンボル間干渉です。パルススキューは、パルス幅歪みまたはデューティサイクル歪みとも呼ばれ、送信ノードと受信ノードでトランシーバーによって導入される決定論的ジッターの形式です。パルススキューは、信号の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジの間の伝搬遅延の差として定義されます。差動通信では、このスキューにより非対称のクロスオーバーポイントが発生し、送信される0と1の持続時間の間に不一致が生じます。クロック分配システムでは、過度のパルススキューは、送信されたクロックのデューティサイクルの歪みとして現れます。データ分散システムでは、この非対称性により、アイダイアグラムで観察されるピークツーピークジッターが増加します。どちらの場合も、過度のパルススキューはRS-485を介して送信される信号に悪影響を及ぼし、利用可能なサンプリングウィンドウとシステム全体のパフォーマンスの両方を低下させます。

符号間干渉（ISI）は、信号エッジの到着時間が、そのエッジを進んだデータパターンの影響を受ける場合に発生します。シンボル間干渉の影響は、ケーブルの相互接続が長いアプリケーションで顕著になり、ISIがRS-485ネットワークの主要な要因になります。より長い相互接続は、ケーブル容量が単一ビット期間の終わりまでに完全に充電されていないRC時定数を作成します。送信データがクロックのみで構成されているアプリケーションでは、この形式の符号間干渉は存在しません。符号間干渉は、ケーブル伝送ラインのインピーダンスの不一致、ラインスタブ、または終端抵抗の不適切な使用によっても発生する可能性があります。高出力駆動強度のRS-485トランシーバーは、RS-485ケーブルの負荷容量を充電するのに必要な時間が短いため、一般にISIの影響を最小限に抑えるのに役立ちます。

許容できるピークツーピークジッターの割合はアプリケーションに大きく依存し、一般に10％のジッターがRS-485トランシーバーとケーブル性能の組み合わせのベンチマークに使用されます。過度のジッターとスキューの組み合わせは、受信RS-485トランシーバーのサンプリング機能に影響を与え、通信エラーの可能性を高めます。適切に終端された伝送ネットワークでは、トランシーバーのパルススキューとシンボル間干渉の影響を最小限に抑えるように最適化されたトランシーバーを選択すると、より信頼性が高く、エラーのない通信リンクが得られます。

RS-485トランシーバーの設計とケーブル効果

TIA-485-A / EIA-485-ARS-485規格 ³ 電圧出力差動（VOD）、短絡特性、コモンモード負荷、入力電圧のしきい値と範囲など、RS-485送信機と受信機の設計と動作範囲の仕様を提供します。スキューやジッターを含むRS-485タイミング性能は、TIA-485-A / EIA-485-A規格では指定されておらず、製品データシート仕様のICベンダーによって最適化されています。

TIA-568-B.2 / EIA-568-B.2、ツイストペアケーブルの電気通信規格などの他の規格 ⁴ RS-485信号品質に対するケーブルのACおよびDC効果の背景を提供します。この規格は、性能限界が設定された状態で、ジッタ、スキュー、およびその他のタイミング測定に関する考慮事項とテスト手順を提供します。たとえば、最大許容カテゴリ5eケーブルスキューは100mあたり45nsです。 TIA-568-B.2 / EIA-568-B.2規格の詳細と、システムパフォーマンスに理想的でないケーブルを使用した場合の影響については、拡張RS-485パフォーマンスをお読みください。

利用可能な規格と製品データシートは有用な情報の優れた情報源を提供しますが、システムタイミングパフォーマンスの意味のある特性評価には、長いケーブル上のRS-485トランシーバーの測定が必要です。

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図4.ADM3065Eの一般的なクロックジッタ性能。 （出典：Analog Devices）

RS-485との通信をより速くさらに行う

次世代RS-475トランシーバーは、スキューやジッターを定義しないTIA-485-A / EIA-485-Aなどの規格を使用して、アプリケーションのニーズを満たすために強化されたパフォーマンスを提供します。たとえば、アナログ・デバイセズのADM3065EのようなRS0485トランシーバーは、送信機と受信機のスキュー性能が非常に低くなっています。これにより、システムは、EnDat2.2。 ⁵ などのモーターエンコーディング規格でよく使用される高精度クロックの送信をサポートできます。 図4および5に示すように、システムは、モーター制御アプリケーションで発生する一般的なケーブル長全体で5％未満の決定論的ジッターを示すことが実証されています。トランシーバーの供給範囲が広いということは、このレベルのタイミング性能が3.3Vまたは5Vのトランシーバー電源を必要とするアプリケーションで利用できることを意味します。

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図5.ADM3065E受信アイダイアグラム：100mケーブルに分散された25MHzクロック。 （出典：Analog Devices）

優れたクロック分配に加えて、強化されたタイミング性能により、高速出力と最小限の追加ジッタにより、信頼性の高いデータ分配も可能になります。図6は、拡張トランシーバーを使用することにより、RS-485データ通信で一般的に見積もられているタイミング制限を大幅に緩和できることを示しています。標準のRS-485トランシーバーは、通常、10％以下のジッターで動作するように見積もられています。 ADM3065Eは、最大100mのケーブルで20Mbpsを超えて動作し、受信ノードでわずか10％のジッターを維持します。この低レベルのジッターは、受信データノードによる誤ったサンプリングのリスクを低減し、通常のRS-485トランシーバーではこれまで不可能だった伝送の信頼性をもたらします。受信ノードが最大20％のジッターレベルを許容できるアプリケーションでは、100mのケーブル配線で最大35Mbpsのデータレートを実現できます。

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図6.ADM3065E受信データノードの優れたジッターパフォーマンス。 （出典：Analog Devices）

EnDat 2.2エンコーダプロトコルを使用して転送されるすべてのパケットについて、データはクロックの立ち下がりエッジと同期して送信されます。図7は、絶対位置（TCAL）の初期計算後、スタートビットがエンコーダーからマスターコントローラーへのデータ送信を開始することを示しています。後続のエラービット（F1、F2）は、エンコーダの誤動作により位置値が正しくなくなる可能性があることを示します。次に、エンコーダはLSで始まり、データが続く絶対位置値を送信します。 EnDat 2.2では最大10％のジッターが指定されており、長いケーブル配線で位置信号とエラー信号を正常に送信するには、クロックとデータ信号の整合性が重要です。 EnDat 2.2は、20mのケーブルで16MHzのクロックレートで最大動作を指定します。図4は、これらの要件が5％のクロックジッターで満たされることを示しています。図6は、データ伝送のジッター要件が満たされているのに対し、標準のRS-485トランシーバーは満たされていないことを示しています。これは重要です。ケーブルよりも優れたタイミング性能により、システム設計者はEnDat2.2仕様を満たすように正常に設計された設計を可能にするために必要な情報を得ることができます。

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図7.クロック/データ同期を備えたEnDat2.2の物理層とプロトコル（EnDat 2.2の図を採用）。 （出典：Analog Devices）

長いケーブルよりも信頼性が高い

TIA-485-A / EIA-485-ARS-485規格 ³ 完全に負荷がかかったネットワークに少なくとも1.5Vの差動電圧振幅VODを生成するには、準拠したRS-485ドライバが必要です。この1.5VODにより、長いケーブル長で1.3 Vの電圧DC減衰が可能になり、RS-485レシーバーは少なくとも200mVの入力差動電圧で動作するように指定されています。 5Vで電力を供給したときに少なくとも2.1VのVODを出力するように設計されたトランシーバーを使用すると、設計者はRS-485仕様の要件を超えることができます。

完全に負荷がかかったRS-485ネットワークは、54Ωの差動負荷に相当します。これは、2つの120Ω抵抗の二重終端バスをシミュレートし、さらに750Ωが1ユニット負荷の32個の接続デバイス（12kΩ）を表します。 ADM3065Eは、TIA-485-A / EIA-485-Aの要件を超えて、必要なコモンモード電圧範囲を満たしながらVODを最大化する独自の出力アーキテクチャを備えています。図8は、トランシーバーがRS-485規格の駆動要件を3.3 V電源レールから電力を供給した場合に210％以上、5 V電源レールから電力を供給した場合に300％以上超える方法を示しています。これにより、システムは、通常のRS-485トランシーバーよりも、より多くのリモートノードとより多くのノイズマージンでさらに通信できるようになります。

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図8.RS-485を超えるADM3065Eは、広い供給範囲にわたって要件を駆動します。 （出典：Analog Devices）

図9は、1000mを超えるケーブルの一般的なアプリケーションにおけるこのポイントをさらに示しています。標準のAWG24ケーブルを介して通信する場合、拡張トランシーバーは標準のRS-485トランシーバーよりも30％優れており、受信ノードでのノイズマージンが30％大きくなるか、低データレートで最大ケーブル長が30％長くなります。このパフォーマンスは、RS-485ケーブルが数百メートルを超えるワイヤレスインフラストラクチャアプリケーションに最適です。

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図9.ADM3065Eは、超長距離に対して優れた差動信号を提供します。 （出典：Analog Devices）

EMC保護とノイズ耐性

RS-485信号は、バランスが取れており、差動であり、本質的にノイズの影響を受けません。システムノイズは、RS-485ツイストペアケーブルの各ワイヤに等しく結合します。ツイストペアケーブルを使用すると、誘導されたノイズ電流が反対方向に流れ、RS-485バスに結合された電磁界が互いに打ち消し合います。これにより、システムの電磁感受性が低下します。さらに、ドライブ強度が高いほど、通信の信号対雑音比（SNR）が高くなります。地上レベルと無線基地局のアンテナの間の数百メートルなどの長いケーブル配線では、SNRが向上し、優れたシグナルインテグリティを備えているため、アンテナの正確で信頼性の高い傾斜/位置制御が保証されます。

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図10.ワイヤレスインフラストラクチャケーブルの長さは数百メートルを超える場合があります。 （出典：Analog Devices）

図1に示されているように、EMC保護は、隣接するコネクタとケーブルを介して外界に直接接続するRS-485トランシーバに必要です。たとえば、露出したRS-485コネクタのESDと、エンコーダからモータードライブへのケーブル接続は、一般的なシステムの危険です。調整可能な速度の電力駆動システムのEMCイミュニティ要件に関連するシステムレベルのIEC61800-3規格には、最小±4kVの接点/±8kVの空気IEC61000-4-2ESD保護が必要です。 ADM3065Eのような拡張トランシーバーは、±12kV接点/±12kV空気IEC61000-4-2ESD保護でこの要件を超えています。

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図11.ESD、EFT、およびサージ保護を備えた完全な25Mbps信号および電力絶縁RS-485ソリューション。 （出典：Analog Devices）

ワイヤレスインフラストラクチャアプリケーションの場合、損傷を与える雷サージイベントから保護するために、強化されたEMC保護が必要です。 SM712 TVSと2つの10Ω調整抵抗をトランシーバー入力に追加すると、EMC保護が強化され、最大±30 kV 61000-4-2ESD保護と±1kVIEC61000-4-5サージ保護が提供されます。

電気的に過酷なモーター制御、プロセス自動化、およびワイヤレスインフラストラクチャアプリケーションのノイズ耐性を高めるために、ガルバニック絶縁を追加できます。アナログ・デバイセズの i を使用して、強化絶縁と5 kVrmsの過渡耐電圧を備えたガルバニック絶縁をADM3065Eに追加できます。 カプラー ^® および iso Power ^® テクノロジー。 ADuM231Dは、必要な5 kV rms信号分離の3つのチャネルを提供し、最大25Mbpsのレートで堅牢な動作を可能にする正確なタイミング性能を備えています。 ADuM6028絶縁型DC-DCコンバータは、5 kVrmsの耐定格で必要な絶縁型電力を提供します。 2つのフェライトビーズを使用して、EN55022クラスB / CISPR 22などのEMCコンプライアンス基準を簡単に満たすことができ、6mm×7.5mmのフォームファクタでコンパクトな絶縁型DC-DCソリューションを実現します。

次世代のRS-485トランシーバーは業界標準を上回り、標準のRS-485デバイスと比較してさらに高速に通信できるようになります。 EnDat 2.2 ⁵ で指定された10％のジッターレベル 、システムは最大20mのケーブルで16MHzのクロックレートで動作でき、標準のRS-485はこの要件を満たすのに苦労しています。 RS-485バスの駆動要件を最大300％超えると、より長いケーブルよりも信頼性が高く、ノイズマージンが大きくなります。 i を追加することで、ノイズ耐性を向上させることができます。 ADuM231D信号アイソレータを含むカプラの絶縁、および業界最小のフォームファクタの絶縁電源ソリューションであるADuM6028。

参照

¹ 「PROFINETおよびPROFIBUSノード数は2018年に8700万を超えています。」 Profibus Group、2019年5月。

² コナルワターソン。 「LVDSおよびM-LVDS回路実装ガイド」。 Analog Devices、Inc.、2013年3月。

³ 「TIA / EIA-485-A、平衡型デジタルマルチポイントシステムで使用するための発電機と受信機の電気的特性。」 IHS Markit Inc.、1998年3月。

⁴ 「TIA / EIA-568-B.2、商業ビルの電気通信ケーブル規格-パート2：バランスの取れたツイストペアケーブルコンポーネント。」電気通信工業会、2001年5月。

⁵ 「EnDat2.2—位置エンコーダ用の双方向インターフェース。」ハイデンハイン、2017年9月。