産業用制御およびビルオートメーションの分野では、RS-485通信は、その差動伝送、長距離能力、および優れた耐干渉性能により広く支持されています。しかし、実際のエンジニアリングでは、通信の安定性に影響を与える「ループインピーダンス」が見過ごされることが多く、その結果、機器のパケットロスや通信中断が時々発生します。このような問題のトラブルシューティングには、時間と労力がかかります。
この記事では、「生活に密着し、わかりやすい」アプローチを採用し、ループインピーダンスとは何か、なぜそれが非常に重要なのか、設計とデバッグでそれを最適化する方法について深く理解できるよう支援します。これにより、RS-485通信を舗装された高速道路のようにスムーズにすることができます。
自宅の水道システムを想像してください。水ポンプ（ドライバ）が水を消費地点（レシーバ）に送り、その後、水は別のパイプを通って水ポンプに戻り、サイクルを形成します。
パイプの直径、エルボ、分岐、水圧などの要因はすべて、水のスムーズな流れに影響します。回路における「ループインピーダンス」も同様です。これは、信号が送信端から始まり、差動ペアに沿って伝送され、受信端に到達し、次に送信端に戻る、信号が閉ループ全体でAC信号に及ぼす「抵抗」の総合的な現れです。
- 抵抗（R）：パイプの直径によって決まる摩擦抵抗のようなものです。
- インダクタンス（L）：パイプのバルブやエルボに似ており、信号が変化するときに「ヒステリシス」効果を引き起こします。
- キャパシタンス（C）：水槽や貯水槽に例えることができ、エネルギーを蓄積し、瞬時に放出することで、変動に影響を与えます。
RS-485システムでは、これら3つの要因が組み合わさった状態での総「ループインピーダンス」が、信号の品質と信頼性を直接決定します。
RS-485通信ケーブルは通常、120 Ωのシールド付きツイストペアを使用します。これは、水の流れ（電気信号）の損失を最小限に抑えるために、一定の内径の水道管を選択するようなものです。
120 Ωの抵抗をラインの両端に並列に接続して、信号エネルギーを「吸収」し、「エコー」を回避します。これは、パイプの端に消音バルブを取り付けてウォーターハンマーを防ぐようなものです。
複数のデバイスをバスに並列に接続すると、複数の分岐をパイプラインに接続することと同じです。全体のインピーダンスが減少し、信号が「シャント」されやすくなり、受信端が十分なレベルを受信できない可能性があります。
各コネクタ、各TVSダイオード、または各保護デバイスは、少しの不連続性を追加します。これは、パイプインターフェースの接合部がしっかりと密閉されていないようなもので、局所的な漏れや閉塞を引き起こします。
RS-485は差動通信ですが、グランド線は依然としてループを形成し、これはコモンモード干渉にとって「招かれざる客」です。異なるデバイス間のグランド電位差は、給水システムにおける異なる給水塔間の水位差のようなもので、「逆流」や「クロスフロー」などの問題を引き起こします。
インピーダンスのミスマッチは、信号を反射壁にぶつかるように「跳ね返らせ」、波形歪み、リンギング、オーバーシュートを引き起こします。最終的に、受信機は「1」と「0」を区別できなくなります。
不安定なインピーダンスは、パイプ内の水漏れが増加することに相当します。長距離または高速で伝送する場合、損失はより深刻になり、信号は目的地に到達する前に「枯渇」する可能性があります。
不連続なインピーダンスは、パイプの隙間のようで、外部電磁干渉が「浸透」しやすくなり、ビットエラー率が上昇します。
ドライバは、信号減衰を補うために大きな電流を出力します。これは、水ポンプが長時間大流量で運転すると、より早く摩耗し、発熱、消費電力、および寿命のリスクにつながるようなものです。
コア原理：インピーダンスの連続性を維持し、舗装された道路のように平坦で、幅が一定で、分岐が少ないようにします。
120 Ωの公称値を持つシールド付きツイストペアを使用します。
シールド層は確実に接地する必要があります。片端を接地するか両端を接地するかは、実際の干渉環境に応じて検討する必要があります。
差動ペアは、片側が長すぎることによるインピーダンスの不均一性を避けるために、等長かつ等間隔で配線する必要があります。
PCB上の差動トレースは、グランドプレーン分割を横切らないようにし、同じ層に配置するか、可能な限り対称的なグランドプレーンを使用する必要があります。
バスの両端に120 Ωの終端抵抗を並列に接続します。
コモンモードノイズを抑制する必要がある場合は、「分割終端」を使用できます。2つの60 Ωの抵抗を直列に接続し、中点に小さなコンデンサをグランドに並列に接続します。これは、信号パスに「マフラー」を追加することに相当します。
バスがアイドル状態のとき、受信機の出力を安定した既知のレベル（通常はロジック「1」）に保ちます。
プルアップ抵抗を追加して差動ラインAをプルアップし、プルダウン抵抗を追加して差動ラインBをプルダウンし、ラインが切断されたり、誰も送信していない場合に信号がフローティングするのを防ぐことができます。
「線形トポロジー」（直線）の使用を優先し、物理的な端にのみ終端抵抗を取り付けます。
スター、リング、または長すぎる分岐を避けます。これは、交通渋滞を防ぐために幹線道路にランダムに分岐を挿入することを避けるようなものです。
信号エッジが速い（急峻）ほど、反射は深刻になります。長距離伝送の場合、スロープ制限トランシーバを使用するか、ボーレートを適切に下げて「車両速度」を「道路状況」に合わせることができます。
差動プローブを使用して、A/Bラインの電圧波形を観察し、リンギング、オーバーシュート、または減衰がないか確認します。ボーレートを理論的な信号波形と比較して、スロープ制限またはレート調整が必要かどうかを判断します。
分岐をセクションごとに切り離し、波形の変化を観察し、インピーダンスの不連続性またはコモンモードの問題の位置を特定します。
ケーブル、終端抵抗を交換したり、疑わしい領域にコモンモードチョークを追加して、変更の効果を確認します。接地レイアウトを最適化して、多点接地によるグランドループ干渉を減らします。
TVSチューブとコモンモードチョークを合理的に構成して、過度の信号吸収なしに外部サージに抵抗します。
保護コンポーネントの寄生パラメータ（容量、インダクタンス）が、総インピーダンスに制御可能な影響を与えることを確認します。
- 終端抵抗が片端にしか取り付けられていないため、他端で深刻な反射が発生します。
- 終端抵抗の位置が間違っており、物理的な端に配置されていません。
- 分岐が多すぎたり長すぎたりし、信号が分岐で繰り返し跳ね返ります。
- 120 Ω以外のケーブルを盲目的に選択すると、受信機との整合性が大きく異なります。
- デバイス間のグランド電位差を無視し、過度のコモンモード電圧が発生します。
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