産業オートメーションを加速：RS-485フィールドバスの速度、到達距離、EMCを最適化

PROCENTECなどの業界リーダーは、RS-485ベースのフィールドバス展開、特にPROFIBUS®と急速に拡大するPROFINET Industrial Ethernetの着実な増加を報告しています。2018年には世界で6100万PROFIBUSノードが設置され、プロセスオートメーション（PA）ノードが前年比7%増加しました。PROFINETのインストールベースは2600万ノードに達し、2018年にだけ510万デバイスが追加されました。¹

Industry 4.0がスマートで接続された工場の採用を推進する中、信頼性の高い高性能システムのためにフィールドバス技術を最適化することが不可欠になっています。これには、電磁両立性（EMC）堅牢性と信頼性の高いデータ伝送の間の慎重なバランスが必要です。

信頼性のないデータは全体的なシステム性能を低下させます。モーション制御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クローズドループ位置制御に使用されます。高データレートと長距離ケーブル——図1に示す通り——が一般的です。位置制御が信頼できない場合、マシンスループットが低下し工場生産性が損なわれます。無線インフラストラクチャでは、フィールドバスがアンテナのチルト/位置制御を扱うことが多く、正確なデータ伝送がクリティカルです。両シナリオは、図1に示すように異なるEMC保護レベルを要求します。モーション制御環境は電気的にノイジーでデータエラーを引き起こし、無線設定は露出した環境での間接落雷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を満たすには、ケーブル上でのRS-485トランシーバータイミングとEMC特性の徹底的な評価が必要です。この記事では、主要なタイミング概念、クロックとデータ分配、ケーブルドライブ能力などの性能指標を提示し、次世代RS-485トランシーバーの産業現場でのメリットを実証します。

タイミング性能

長距離ケーブルで高レートデータを伝送する場合、ジッターとスキュー——低電圧差動信号（LVDS）に関連付けられることが多い用語——がRS-485でもクリティカルになります。トランシーバーとケーブルの両方がジッターとスキューに寄与し、それぞれを評価する必要があります。

click for larger image

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

ジッターとスキュー

ジッターは、信号遷移の期待到着時刻と実際の到着時刻の時間間隔誤差です。通信リンク内では、ジッターはランダムな源——熱雑音や広帯域ショットノイズなど（ガウス分布に従う）——と決定論的な源——デューティサイクル歪み、クロストーク、周期的外部ノイズ、シンボル間干渉（ISI）など——から発生します。データレートが100MHz以下にとどまるRS-485システムでは、決定論的ジッターが支配的です。

ピークツーピークジッター値は、総決定論的ジッターの実用的な指標です。時間領域で多くの信号遷移を同じディスプレイに重ね合わせ、アイダイアグラムを形成することで可視化できます。オシロスコープの無限持続モードまたは組み込みジッター分解ソフトウェアで実現できます（図2参照）。²

click for larger image

図2. 時間間隔誤差、ジッター、アイ（出典：Analog Devices）

重ね合わせ遷移の幅がピークツーピークジッターを表し、開いた領域がアイです。より広いアイは受信ノードにより大きなサンプリングウィンドウを提供し、ビットエラーのリスクを低減します。ドライバー、レシーバー、ケーブルからの決定論的ジッターが主にアイ幅を決定します。

click for larger image

図3. RS-485通信ネットワークにおけるジッターの主要因（出典：Analog Devices）

RS-485システムにおける2つの重要な寄与要因は、トランシーバーパルススキューとシンボル間干渉（ISI）です。パルススキュー——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る——は、立上りと立下りエッジの伝播遅延差です。差動リンクでは、非対称なクロスオーバーポイントと送信0と1の持続時間の不一致を生み、クロックまたはデータ波形を歪めます。ISIは、信号エッジの到着が先行データの影響を受けるときに発生し、特にケーブルのRC時定数がビット期間の終わりまでに負荷容量を部分的に充電したままにする長距離ケーブルで顕著です。ISIはインピーダンスミスマッチ、ラインスタブ、不適切な終端によっても悪化します。高出力ドライブ強度を持つトランシーバーは、ケーブル容量をより速く充電することでISIを緩和します。

許容されるピークツーピークジッターはアプリケーション固有ですが、RS-485トランシーバーとケーブル性能の組み合わせで10%が一般的なベンチマークです。過度なジッターやスキューはレシーバーのサンプリング能力を妨げ、通信エラー率を上昇させます。適切に終端されたネットワークでは、パルススキューとISIを最小化するトランシーバーを選択することで、より信頼性が高くエラーフリーなリンクが得られます。

RS-485トランシーバー設計とケーブル効果

TIA-485-A/EIA-485-A標準³は、差動出力電圧（VOD）、短絡動作、コモンモード負荷、入力閾値などの電気的特性を定義します。しかし、ジッターやスキューなどのタイミング指標は規定していません。これらはベンダーのデータシートと製品仕様に委ねられています。

TIA-568-B.2/EIA-568-B.2（より線ペアケーブリング）⁴などの補完標準は、RS-485信号へのケーブル誘発効果（ジッター、スキュー、その他のタイミング限界）を扱います。例えば、Category 5eケーブルは100mあたり最大45nsのスキューを許容する場合があります。詳細は「Enhanced RS-485 Performance」を参照し、非理想的ケーブルがシステム性能に与える影響をご確認ください。

標準とデータシートは有用なガイダンスを提供しますが、意味のあるタイミング特性評価には、長距離ケーブル上でのトランシーバー測定が必要です。

click for larger image

図4. ADM3065Eの典型的なクロックジッター性能（出典：Analog Devices）

RS-485でより速く、より遠くへ通信

次世代RS-485トランシーバーは、TIA-485-A/EIA-485-A仕様を超える性能を提供します。例えば、Analog DevicesのADM3065Eは超低送信機および受信機スキューを提供し、EnDat 2.2⁵のようなモーターエンコーディング標準に不可欠な信頼性の高い精密クロック分配を可能にします。図4と5は、典型的なモーター制御ケーブル長で5%未満の決定論的ジッターを示します。トランシーバーの広い電源範囲（3.3V〜5V）が、低電圧と高電圧の両システムでこの性能を保証します。

click for larger image

図5. ADM3065E受信アイダイアグラム：100mケーブルで25MHzクロック分配（出典：Analog Devices）

強化されたタイミングはデータ分配信頼性も向上させます。図6は、先進トランシーバーで典型的なRS-485ジッター上限の10%を緩和できることを示します。ADM3065Eは100mで>20Mbpsを維持しながら受信側で<10%ジッターを保ちます。この低ジッターはサンプリングエラーを減らし、標準RS-485デバイスでは以前達成できなかった信頼性を提供します。受信ノードが最大20%ジッターを許容する場合、100mで最大35Mbpsのデータレートが達成可能です。

click for larger image

図6. ADM3065E受信データノードの優れたジッター性能（出典：Analog Devices）

EnDat 2.2エンコーダー通信では、データが立下りクロックエッジと同期して送信されます。図7はスタートビット、エラービット（F1、F2）、絶対位置データを示します。EnDat 2.2は最大10%ジッターと20mでの16MHzクロックを要求します。ADM3065Eは5%クロックジッターでこれらの制約を満たし、標準RS-485トランシーバーでは保証できないデータジッター要件も満たします。

click for larger image

図7. EnDat 2.2物理層とクロック/データ同期プロトコル（EnDat 2.2から適応図）（出典：Analog Devices）

より長いケーブルでのより高い信頼性

TIA-485-A/EIA-485-A標準³は、完全負荷ネットワークへの差動出力電圧（VOD）を最小1.5Vと義務付けます。これにより長距離ケーブルで1.3VのDC減衰が許容され、レシーバーは最小200mV差動入力を要求します。5V電源で≥2.1V出力するように設計されたトランシーバーは、標準のVOD要件を超え、ノイズマージンを向上させます。

完全負荷RS-485バスは54Ω差動負荷のように振る舞います（2つの120Ω終端抵抗に加え、1ユニットロードの32デバイスを表す750Ω、または12kΩ）。ADM3065Eの独自出力アーキテクチャは、コモンモード限界内に留まりながらVODを最大化し、3.3Vで>210%、5Vで>300%標準を超えます。これにより、より長距離、より多くのリモートノード、より高いノイズマージンでの通信が可能になります。

click for larger image

図8. ADM3065Eが広い電源範囲でRS-485ドライブ要件を超過（出典：Analog Devices）

図9は1km AWG 24ケーブルでの性能を示します。強化トランシーバーは標準RS-485デバイスより30%大きいノイズマージンを提供するか、低データレートで最大ケーブル長を30%延長します——数百メートルを超えるケーブルを持つ無線インフラストラクチャに最適です。

click for larger image

図9. ADM3065Eが超長距離で優れた差動信号を提供（出典：Analog Devices）

EMC保護とノイズ耐性

RS-485のバランス差動信号伝送は本質的にノイズに耐性があります。より線ペアケーブリングにより誘導電流が逆方向に流れ、電磁界が相殺されます。より強力なドライバーも信号対雑音比（SNR）を向上させます。地面からアンテナまで数百メートルの長距離では、強化されたSNRと信号整合性が正確なチルト/位置制御を確保します。

click for larger image

図10. 無線インフラストラクチャのケーブル長は数百メートルに及ぶ（出典：Analog Devices）

トランシーバーが露出したコネクタとケーブルとインターフェースする場合（図1参照）、EMC保護は不可欠です。RS-485コネクタでのESDは一般的な危険です。IEC 61800-3は、可変速ドライブに最小±4kV接触/±8kV空気IEC 61000-4-2 ESD保護を要求します。ADM3065Eのような強化トランシーバーは、±12kV接触/±12kV空気保護でこれらの限界を超えます。

click for larger image

図11. ESD、EFT、サージ保護付き完全25Mbps信号/電力絶縁RS-485ソリューション（出典：Analog Devices）

無線インフラストラクチャでは、強化されたEMC保護が落雷サージから守ります。トランシーバー入力にSM712 TVSと2つの10Ω調整抵抗を追加することで、最大±30kV IEC 61000-4-2 ESD保護と±1kV IEC 61000-4-5サージ保護が得られます。

過酷なモーター制御、プロセスオートメーション、無線環境では、ガルバニック絶縁がさらにノイズ耐性を高めます。ADM3065EはAnalog DevicesのiCoupler®とisoPower®テクノロジーと組み合わせ可能です。ADuM231Dが5kV rms信号絶縁の3チャネルを提供し、最大25Mbpsの精密タイミングを実現。ADuM6028が5kV rms耐圧の絶縁DC-DC変換を提供。2つのフェライトビーズがEN 55022 Class B/CISPR 22などのEMC標準を満たし、6mm × 7.5mmパッケージでコンパクトな絶縁ソリューションを提供します。

次世代RS-485トランシーバーは業界標準を超え、より高速、より長距離、より信頼性の高い通信を可能にします。EnDat 2.2で義務付けられる10%ジッターレベルで、標準RS-485ではサポートできない20mでの16MHzクロック運用が可能です。RS-485バスドライブ要件を最大300%超過することで、設計者は延長ケーブル上で優れた信頼性とノイズマージンを達成します。iCoupler絶縁（ADuM231Dを含む）とコンパクトなADuM6028絶縁電源ソリューションの追加で、免疫がさらに強化されます。

参考文献

¹ "PROFINET and PROFIBUS Node Count Tops 87 Million in 2018." Profibus Group, May 2019.

² Conal Watterson. "LVDS and M-LVDS Circuit Implementation Guide." Analog Devices, Inc., March 2013.

³ "TIA/EIA-485-A, Electrical Characteristics of Generators and Receivers for Use in Balanced Digital Multipoint Systems." IHS Markit Inc., March 1998.

⁴ "TIA/EIA-568-B.2, Commercial Building Telecommunications Cabling Standard—Part 2: Balanced Twisted Pair Cabling Components." Telecommunications Industry Association, May 2001.

⁵ "EnDat 2.2—Bidirectional Interface for Position Encoders." Heidenhain, September 2017.