RS-232 と RS-422 と RS-485 の違いは何ですか?

今日の若い世代の多くにとって、シリアル通信は時代遅れの用語のように思われるかもしれません。しかし、RS-232、RS-422、RS-485といった最も一般的な規格は、今でも産業用通信で広く使用されています。そこでこの記事では、これらの規格を初心者が理解し、詳細な比較を通してそれぞれの違いを理解できるようにしました。

さあ、始めましょう。

RS-232 とは何ですか?

RS-232インターフェースは、米国電子工業会（EIA）が制定したシリアルデータ通信インターフェース規格に準拠しています。当初の名称はEIA-RS-232（多くの場合、232またはRS232と略されます）でした。コンピュータのシリアルインターフェース周辺機器の接続、ケーブル接続、そして機械、電気、信号、伝送プロセスにおいて広く使用されています。

RS-232 規格では、50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、および 19200 ビット/秒 (ボー) のデータ転送速度が指定されています。

RS-232 の特徴は何ですか?

RS-232は、主流のシリアル通信インターフェースの一つです。RS-232インターフェース規格は比較的早く登場したため、必然的にいくつかの欠点があり、主に以下の4点が挙げられます。

#1: 高いインターフェース信号レベル

インターフェースの信号レベルは高く、インターフェース回路チップが容易に損傷する可能性があります。RS-232インターフェースの信号線上の電圧は負論理の関係にあります。

論理「1」は-3V～-15V、論理「0」は+3V～+15Vで、ノイズマージン2Vです。受信機は+3V以上の信号を論理「0」、-3V以下の信号を論理「1」として認識する必要があります。一方、TTLレベルは、論理ハイに+5V、論理ローに0Vを使用します。TTLレベルとは互換性がないため、TTL回路に接続するにはレベル変換回路が必要です。

＃2：伝送速度が低い

伝送速度が低い。非同期伝送ではビットレートが20Kbpsであるため、51 CPLD開発ボードの統合プログラムボーレートは19200bpsまでしか達せず、これもこの制限の理由となっています。

3: ノイズ耐性が弱い

RS-232インターフェースは、1本の信号線と1本の信号リターン線（共通グランド）を使用して、共通グランド伝送方式を形成します。この共通グランド伝送はコモンモード干渉の影響を受けやすく、ノイズ耐性が低下します。

#4: 伝送距離が短い

伝送距離には制限があり、最大距離は50フィート（約15メートル）で、到達できるのは約15メートルです。

RS-485 とは何ですか?

通信距離が数十メートルから数キロメートルに及ぶ場合、RS-485シリアルバスが広く使用されています。RS-485は平衡伝送と差動受信を採用しているため、コモンモード干渉を排除する機能を備えています。

バス トランシーバーは高感度 (最低 200mV の電圧を検出可能) を備えているほか、1 キロメートル以上離れた場所からの伝送信号も復元できます。

RS-485は半二重モードで動作するため、送信状態にあるのは一度に1つのポイントのみです。そのため、送信回路はイネーブル信号によって制御される必要があります。

RS-485 の特徴は何ですか?

RS-485は多点相互接続を容易にし、多くの信号線を節約できます。RS-485はネットワークを形成して分散システムを構築することができ、最大32個のドライバと32個のレシーバを並列接続できます。RS-232の欠点を克服した新しいRS-485規格には、以下の特徴があります。

• 電気的特性：論理「1」は2本の線間の電圧差が+2V～+6Vで表され、論理「0」は-6V～-2Vで表されます。インターフェース信号レベルはRS-232-Cよりも低いため、インターフェース回路チップを損傷する可能性が低くなります。このレベルはTTLレベルと互換性があり、TTL回路に容易に接続できます。

• 最大データ転送速度：10 Mbps

• ノイズ耐性: RS-485 インターフェイスは、バランス ドライバーと差動レシーバーを組み合わせて、強力なコモンモード干渉除去と優れたノイズ耐性を実現します。

• 最大伝送距離: RS-485 インターフェースの最大伝送距離は 4000 フィート (約 1219 メートル) で、最大 3000 メートルまで到達できます。

• マルチドロップ機能：RS-232-Cインターフェースでは、バス上に1つのトランシーバしか接続できません（シングルドロップ機能）。一方、RS-485インターフェースでは、バス上に最大128個のトランシーバを接続できます（マルチドロップ機能）。1つのRS-485インターフェースを使用することで、ユーザーデバイスのネットワークを迅速に構築できます。

RS-422 とは何ですか?

RS-422規格の正式名称は「平衡電圧デジタルインターフェース回路の電気的特性」であり、インターフェース回路の特性を定義しています。この規格には信号グランドが含まれており、合計5本の配線で構成されています。

受信機は高入力インピーダンスを使用し、送信ドライバは RS232 よりも強力な駆動能力を備えているため、最大 10 個のノードまで複数の受信ノードを同じ伝送ラインに接続できます。

マスターデバイス（Master）が1つあり、残りはスレーブデバイス（Slave）です。スレーブデバイスは相互に通信できないため、RS-422はポイントツーマルチポイントの双方向通信をサポートします。受信側の入力インピーダンスは4kΩであるため、送信側の最大負荷容量は10×4kΩ + 100Ω（終端抵抗）となります。

RS-422 の特徴は何ですか?

RS-422 4線式インターフェースは送信チャネルと受信チャネルを別々に使用しているため、データの方向を制御する必要はありません。デバイス間の必要なハンドシェイクは、ソフトウェア（XON/XOFFハンドシェイク）またはハードウェア（別々のツイストペアを使用）で実装できます。

• RS-422 の最大伝送距離は 4000 フィート (約 1219 メートル)、最大伝送速度は 10 Mb/s です。

• バランスツイストペアケーブルの長さは伝送速度に反比例します。最大伝送距離は100 kb/s未満の速度でのみ可能です。最高の伝送速度は、非常に短い距離でのみ達成できます。通常、100メートルのツイストペアケーブルで達成できる最大伝送速度はわずか1 Mbpsです。

• RS-422には終端抵抗が必要です。その抵抗値は伝送ケーブルの特性インピーダンスとほぼ等しくなければなりません。短距離伝送（通常300メートル未満）では終端は不要です。終端抵抗は伝送ケーブルの遠端に接続されます。

RS-422 と RS-485 の違いは何ですか?

RS-422とRS-485の回路は同じ原理で動作します。どちらも差動方式で送受信し、デジタルグランドを必要としません。差動動作こそが、同じデータレートで長距離伝送を実現できる根本的な理由です。

これがRS-422/RS-485とRS232の真の違いです。RS232はシングルエンド入出力であるため、双方向通信には少なくとも3本のライン（デジタルグランド、送信ライン、非同期伝送用の受信ライン）が必要です。さらに、同期などの機能のために他の制御ラインを追加することもできます。

• RS-422 は、2 組のツイスト ワイヤを使用して全二重 (同時送信と受信) で動作できます。

• RS-485 は半二重でのみ動作可能 (同時に送信と受信は不可) ですが、必要なツイスト ワイヤは 1 組だけです。

• RS-422とRS-485はどちらも19kbpsで1200メートルの伝送が可能です。新しいトランシーバーにより、デバイスをこの回線に接続できます。

RS-422の電気的性能はRS-485と同じです。主な違いは次のとおりです。

• RS-422には4本の信号線があり、送信用（Y、Z）が2本、受信用（A、B）が2本あります。RS-422では受信と送信が分離されているため、受信と送信を同時に行うことができます（全二重通信）。

• RS-485 には 2 つの信号線があり、送信と受信が共有されます。

RS-423 とは何ですか?

RS-423（またはRS/EIA/TIA-423）は、RS-232よりも優れた特性を持つシリアル通信規格です。RS-232に類似した不平衡（シングルエンド）インターフェースを定義し、単方向送信ドライバを備え、最大10台の受信機を接続できます。通常、DTEとDCE間のシリアルバイナリ信号交換には、集積回路技術を用いて実装されます。

• RS-422 はマルチドロップ接続をサポートしますが、RS-423 はポイントツーポイント リンクのみをサポートします。

• RS-422 はインテリジェント デバイスの直接接続用に設計されています。

• RS-423 は RS-232 を拡張し、RS-422 と RS-232 間の仲介役として機能することを目的としています。

RS-423 と RS-232 はどちらも共通接地デバイスを使用するという欠点があり、これにより通信品質が低下し、根本原因を特定するのが難しい通信障害が発生する可能性があります。

この点では、ツイストペア接続をベースにしたRS-422、RS-485、イーサネットが優れています。RS-423は欠点があるため、業界ではあまり普及していません。

RS-232、RS-422、RS-485 の違いは何ですか?

• RS232 は全二重、RS485 は半二重、RS422 は全二重です。

• RS485 と RS232 は物理的な通信プロトコル (インターフェース規格) のみです。RS485 は差動伝送モード、RS232 はシングルエンド伝送モードですが、通信ソフトウェアに大きな違いはありません。

• PCには既にRS232が搭載されており、そのまま使用できます。RS485通信が必要な場合は、RS232-RS485コンバータをRS232ポートに接続するだけで、ソフトウェアの変更は不要です。

RS232/RS422/RS485 インターフェースは見た目が異なりますか?

• これらは通常 DB9 インターフェースですが、他のタイプもあり、内部配線をチェックして RS232、RS422、または RS485 のいずれであるかを確認する必要がある場合もあります。

• RS232は標準インターフェースであり、D-sub9ピン（DB9）インターフェースです。接続機器のインターフェース信号定義は統一されています。信号定義は以下の通りです。
  （注：原文ではピン配置定義図が想定されていたと思われますが、文書には含まれていなかったため、翻訳では具体的なピン定義は省略しています。）

通常、PC にはデフォルトで RS232 インターフェイスしか搭載されていないため、PC ホスト コンピュータ用の RS485 回路を取得するには 2 つの方法があります。

1. RS232/RS485変換回路を使用して、PCのシリアルポートからのRS232信号をRS485信号に変換します。複雑な産業環境では、サージ保護機能を備えた絶縁型製品の使用が最適です。

2. PCI マルチシリアルポート カードを使用すると、RS485 信号を出力する拡張カードを直接選択できます。

コンピュータは、RS232-RS485 コンバータを介して複数の 485 デバイス (アクセス コントローラ) に接続し、バス上のデバイスをポーリングします。

配線ラベルは 485+ と 485- で、デバイス (コントローラ) の 485+ および 485- 接続に対応しています。

• 通信距離

  最も遠いデバイス（コントローラー）とコンピューター間の理論上の最大距離は1200メートルです。800メートル以内、最適距離は300メートル以内を維持することを推奨します。
  距離が長すぎる場合は、485リピーター（エクステンダー）をご購入ください（コンバーター専門メーカーからご購入ください。リピーターはバスの途中または先頭に配置します。メーカーのマニュアルをご参照ください）。理論上、リピーターを使用すると距離を3000メートルまで延長できます。

• 耐荷重

  1 つの 485 バスはいくつのデバイス (コントローラ) を伝送できますか? これは、コントローラに選択された通信チップと 485 コンバータ内の通信チップによって異なります。
  一般的な仕様は 32、64、128、および 256 ユニットです。これは理論上の数です。実際のアプリケーションでは、フィールド環境、通信距離、その他の要因に応じて、実際の負荷数はこの数値に達しない場合があります。 Weigeng 社のコントローラとコンバータは 256 ユニット用に設計されていますが、各バスを 80 ユニット以下に制限することをお勧めします。
  485 通信バスを使用します (ツイストペアまたはネットワーク ケーブルの 1 ペアを使用する必要があります)。通常のワイヤ (ツイストペアではない) を使用すると、干渉が顕著になり、通信が不安定になり、完全に失敗する可能性もあります。
  各コントローラ デバイスは、直列にデイジー チェーン接続する必要があります。スター接続または分岐は許可されていません。スター接続または分岐があると、干渉が非常に高くなり、通信品質が低下し、伝送が失敗する可能性があります。

コントローラエリアネットワーク（CAN）

CANは、1980年代にボッシュが導入した車載ネットワーク通信プロトコルであり、自動車および産業用制御分野で広く使用されています。このプロトコルの主な特徴は次のとおりです。

• 電気的特性：CANも差動信号を使用します。2本のワイヤ（CAN_HとCAN_L）間の約2Vの電圧差は論理「リセッシブ」（論理「1」）状態を表し、論理「ドミナント」（論理「0」）状態は0Vに近い電圧差となります。

• 通信モード：マルチマスター構造によるマルチポイント通信をサポートし、バス競合を処理するための調停メカニズムを使用し、高速（CAN 高速）モードと低速（CAN 低速）モードの両方をサポートします。

• 伝送距離: 正しい配線条件下では、CAN バスの伝送距離は 10 km (高速 CAN) または数 km (低速 CAN) に達します。

• 用途: 主に自動車の電子システムや産業オートメーション制御システムに使用されます。

トランジスタ-トランジスタロジック（TTL）

TTLとは、通信規格そのものではなく、集積回路内または集積回路間の短距離通信に一般的に使用される論理レベル規格の一種です。この規格の主な特徴は以下のとおりです。

• 電気的特性：TTLレベル信号は、通常、論理「1」が約+5V（標準）、論理「0」が0Vに近い値と定義されます。信号振幅は比較的小さいです。

• 通信モード: TTL レベルは、UART、SPI、I²C 信号伝送インターフェースなどのチップ レベルのインターフェースに主に使用されます。

• 伝送距離: TTL レベルの信号は減衰が早いため、長距離伝送には適しておらず、通常は数センチメートルから数メートル以内に制限されます。

• 用途: TTL レベルは、組み込みシステム内の内部通信や、コンピュータのマザーボード上の集積回路間の通信に広く使用されています。

よくある質問（FAQ）

UART とは何ですか?

UARTはUniversal Asynchronous Receiver-Transmitter（汎用非同期送受信機）の略です。シリアルデータ伝送を実現するシリアルポート技術です。通信のためにパラレルデータをシリアルデータに変換し、受信側で使用できるようにシリアルデータを再びパラレルデータに変換する回路です。

RS-485 のコモンモード干渉を排除するにはどうすればよいですか?

コモンモード干渉は通常、次の方法で除去されます。

• シールド付きツイストペアケーブルを使用し、適切な接地を確保してください。

• 電界が強い場所では、シールドのために亜鉛メッキされた導管の使用を検討してください。

• 配線は高圧電線から離して配線し、高圧電線と信号線を束ねないでください。

• 電気制御ロックなどのデバイスと同じ電源を共有しないでください。

• (リニア安定化電源または高品質スイッチング電源(リップル干渉 50mV 未満)を使用してください)。

結論

RS232、RS422、RS423、RS485は、いずれも本質的に物理層プロトコルです。これらはすべてシリアル通信プロトコルであり、あらゆるデバイスインターフェースとして広く利用されています。シリアルインターフェースは、電子機器や組み込みシステムで広く利用されており、デバイスからのリモートデータ取得やリモート制御などによく使用されます。

これらは、PC、マイクロコントローラ、シリアル通信プロトコル、またはシリアル通信用のTTLレベルなど、信号の伝送方法を変更します。RS232、RS422、RS423、またはRS485信号に変換するには、通信変換チップが必要です。

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