RS-485の長距離・高速通信を両立する「MAX22500シリーズ」 - 半導体事業

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産業用ネットワークの高速化と長距離化が進む中、RS-485規格の通信性能は限界に近付きつつあります。自社製品にRS-485通信を使用している技術者の方は、速度や距離に不満を感じながらも、「別の規格に変更するのは大変なので、できればRS-485のまま機能を向上したい」とお悩みではありませんか？

そこで今回は、RS-485規格のままで長距離・高速通信の両立を可能にする、アナログ・デバイセズ社の「MAX22500シリーズ」を紹介します。

RS-485の高速・長距離伝送が抱えるジレンマ

RS-485規格は優れたノイズ耐性を持ち、産業用ネットワークにおける機器間の通信に幅広く利用されています。しかし、近年の産業用ネットワークの発展にともない、高速化と長距離化が課題となっています。

具体的にどのような課題があるのでしょうか。当初、RS-485規格は、最大10Mbpsのデータレートと最長1.2kmの通信距離に対応する規格として開発されました。ただし、両者を同時に実現することはできません。RS-485規格の速度と距離にはトレードオフ関係があり、高速化すればするほど通信距離が短くなるからです。

このトレードオフ関係には経験則があり、一般的なRS-485規格においては、データレート (bps) と距離 (m) の積は10の8乗を超えないことがわかっています。つまり、10Mbpsでの伝送の場合、距離は10～15m程度が限界となります。近年では、30～40Mbpsのデータレートで動作するRS-485トランシーバーも登場していますが、数m程度の短い距離しか伝送できないのが実情です。　

一般的なRS485の距離と速度の関係（アナログ・デバイセズ社アプリケーションノート[AN-960]より抜粋）

　
一方、産業用ネットワークはますます大規模かつ複雑になっています。最新の産業用制御システムでは、通信速度30～40Mbpsで100m程度の伝送を求められることが少なくありません。これまでは、この性能をRS-485規格のまま実現することは困難でした。

なぜ、高速・長距離の伝送は難しいのでしょうか。それは、高速・長距離の伝送が信号に悪影響を与えるからです。信号は、伝送中にケーブルなどの影響を受け、徐々に品質が低下します。そのため、一定以上の距離を伝送すると、出力される波形がつぶれてしまい、正確な読み取りが困難になるのです。この影響は、伝送が高速化すればするほど、また長距離化すればするほど、大きくなります。
　

高速・長距離を両立したRS-485トランシーバー「MAX22500シリーズ」

　
こうした中で登場したのが、高速・長距離通信を両立するRS-485トランシーバー「MAX22500シリーズ」です。最大データレート100Mbpsに対応しており、CMR±15Vで信号の劣化を抑えることが可能です。

現在RS-485通信の性能にお悩みの方は、部品をMAX22500シリーズに変更するだけで、わざわざ通信規格を変えることなく、速度や距離を改善できます。

ラインナップのうち、MAX22500E/MAX22502Eは、5V電源で動作し、後述するプリエンファシス機能に対応しています。MAX22501Eは、3～5V電源で動作します。

高速性能と長距離通信を両立する、RS485トランシーバー MAX22500Eシリーズ

MAX22500シリーズの特長

MAX22500シリーズの大きな特長は、ドライブ能力と耐ノイズ性能の強化です。ともに従来品に比べて数倍の向上を実現しています。これにより、今まで難しかった長距離・高速通信の両立が可能になっています。

前項で紹介したように、RS-485規格における通信速度 (bps) と距離 (m) の積は、通常10の8乗程度が限界となります。しかし、MAX22500シリーズでは、これを10の9乗程度まで引き上げることが可能です。実に、従来の約10倍もの伝送性能を実現しています。

下図は、MAX22500Eを使用して、データレート100Mbpsで10ｍのCat5eケーブルを伝送した場合のアイダイアグラムです。開口部の高さは±2Vであり、高い伝送品質が確保されています。従来のRS-485トランシーバーと比較して、MAX22500シリーズの性能は驚異的に向上しているのです。

10mのRS485ケーブルにおいて100Mbpsで動作するMAX22500Eの出力波形 [プレエンファシス機能なし]（アナログ・デバイセズ社デザインソリューション[No. 61]より抜粋）

プリエンファシス機能とは？

さらなる性能向上を可能にするのが、MAX22500E/MAX22502Eに搭載されているプリエンファシス機能です。プリエンファシス (pre-emphasis) とは、前もって (pre) 強調する (emphasis) ことを意味します。これは、信号を事前に強調してから伝送することによって、信号品質の低下を防ぐ機能です。ケーブルの影響などによって波形がつぶれる部分を、あらかじめ高く持ち上げてから伝送することで、伝送後の波形の劣化を最小限に抑えることができます。

プレエンファシス機能 (Pre-emphasis) — プレエンファシス機能のイメージ図

プリエンファシス機能の効果

プリエンファシス機能を使うと、信号波形はどこまで改善されるのでしょうか。下の図は、MAX22500Eを使用し、50Mbpsのデータレートで、100ｍのCat5eケーブルを伝送した場合のアイダイアグラムです。

100mのRS485ケーブルにおいて50Mbpsで動作するMAX22500Eの出力波形（プレエンファシス機能なし） — 100mのRS485ケーブルにおいて50Mbpsで動作するMAX22500Eの出力波形 [プレエンファシス機能なし]
（アナログ・デバイセズ社デザインソリューション[No. 61]より抜粋）

100mのRS485ケーブルにおいて50Mbpsで動作するMAX22500Eの出力波形(プレエンファシス機能使用) — 100mのRS485ケーブルにおいて50Mbpsで動作するMAX22500Eの出力波形 [プレエンファシス機能使用]
（アナログ・デバイセズ社デザインソリューション[No. 61]より抜粋）

左側は、プリエンファシス機能を使用せずに、50Mbps・100mを伝送した場合を示しています。開口部の高さは±0.7Vを確保しているものの、高速で長距離の伝送をおこなったために、信号品質がやや低下しているのがわかります。

右側は、プリエンファシス機能を使用して、50Mbps・100mを伝送した場合を示しています。開口部の高さは±1Vに広がり、アイダイアグラムが明瞭になっています。プリエンファシス機能によって、より高い伝送品質を確保できていることがわかるでしょう。

MAX22500シリーズにおける通信距離と速度の関係

MAX22500シリーズでは、通信距離と速度にどのような関係があるのでしょうか。下図は、一般的なRS-485規格およびMAX22500Eにおける、通信距離と速度の関係を示したグラフです。MAX22500Eについては、プリエンファシス機能の無効／有効時、それぞれのデータを記載しています。　

通信距離と速度の関係（MAX22500データ）
アナログ・デバイセズ社資料ライブラリー[Pre-Emphasis Improves RS-485 Communications]より抜粋

この図からわかるように、MAX22500シリーズは、プリエンファシス機能を無効にしている場合でも従来のRS-485規格よりも格段に高性能です。同じ距離であれば、はるかに高速なデータレートで伝送できます。

伝送距離が長くなると、最大データレートは低下しますが、プリエンファシス機能を有効にすることでその低下を緩やかにすることができます。プリエンファシス機能を活用することで、さらなる高速化と長距離化を実現できるのです。

なお、プリエンファシス機能を使用する場合、通信先の機器もプリエンファシス機能を備えている必要があります。該当しない場合は、プリエンファシス機能を無効に設定することが可能です。また、プリエンファシス機能のないラインナップ (MAX22501E) も提供されています。開発するアプリケーションに合わせて、最適なラインナップを選択していただけます。

今回は、RS-485規格の長距離・高速通信を両立する、アナログ・デバイセズのMAX22500シリーズを紹介しました。MAX22500シリーズを活用すれば、部品を変更するだけで、RS-485の通信性能を大幅に改善できます。評価ボードがありますので、ぜひお試しください。

ご興味をお持ちの方は、お気軽にお問い合わせください。