RS-485 vs CAN：フィールドバスの選択

簡単な答え

RS-485とCANはどちらも終端された差動ペア上で動作しますが、解決する問題は異なります。RS-485は物理層であり：長いケーブル上でバイトを確実に転送し、プロトコル、アドレッシング、エラー処理はソフトウェアで実装します。CANは完全なデータリンク層であり：フレーミング、アービトレーション、エラー検出、自動再送信をハードウェアで追加します。距離とシンプルさが必要な場合はRS-485を、マルチマスターの決定性と組み込みの故障処理が必要な場合はCANを選択してください。250 kbpsでは、RS-485は300 mを余裕でカバーしますが、CANはすでに250 mの限界に近づいています。そしてCANの真の利点は距離ではなく、プロトコルにあります。

エグゼクティブ向けの要点

• 距離はケーブルと終端の問題であり、プロトコルの問題ではない。250 kbpsでは、CANの実用上の限界は約250 mであり、RS-485は同じペアを使ってより低速なビットレートでさらに遠くまで通信できる。
• CANの価値はアービトレーションにある。複数のノードが同時に送信を開始でき、優先度の高いフレームが衝突なしで優先される。RS-485では衝突を回避するためにマスターまたはソフトウェアプロトコルが必要である。
• RS-485のコモンモード範囲はより広い（−7 V～+12 V）で、一般的なCANトランシーバーの範囲よりも広く、グラウンドオフセットのある産業設備では重要です。
• どちらも両端に終端が必要です、短いスタブとバイアスネットワーク。現場故障の大半は配線と終端に起因し、トランシーバーではありません。

1. 各バスが実際に何であるか

RS-485（TIA/EIA-485-A）は電気層のみを定義します。差動ドライバーとレシーバー、同相モード範囲、ユニットロード制限、終端規則です。アドレッシング、フレーミング、衝突処理、エラー回復については何も述べていません。UARTとRS-485トランシーバーを組み合わせれば堅牢なバイトパイプが得られますが、その上に載るプロトコルはあなたの設計です。

CAN（ISO 11898-2）は物理層を定義しますおよびデータリンク層。フレームは識別子、データフィールド、CRC、確認応答を搬送し、調停はビット単位で非破壊的であり、エラーは検出されフレームは自動的に再送される。これはコントローラとトランシーバに組み込まれた多くの挙動であり、CANが自動車および移動機械で支配的である理由でもある。

関連規格のRS-422は、専用のドライバとレシーバのペア（4本の配線）を備えた同じ差動信号方式を使用し、より短い区間でより高速をサポートする。RS-485はマルチドロップの2線式版であり、本記事でRS-485と言う場合は、特に断りのない限り2線式マルチポイントの場合を指す。

2. 速度と距離

この表は計画の指針であり、保証ではありません。ケーブル静電容量、スタブ長、終端許容差、ノード数によって限界は変動します。重要な比較はその形状です。両者はほぼ同じ物理法則で低下しますが、CAN はビットタイミングと調停に厳しい信号整合性が求められるため、より早く距離を諦めます。

3. トポロジ、終端、バイアス

両方のバスはマルチドロップ差動ペアで、物理的な両端で終端されます。RS-485 は各端に単一の 120 Ω 抵抗を使用します。CAN はしばしばスプリット終端— 60 Ωの抵抗2本を直列に接続し、中点をグラウンドにバイパスする — これによりコモンモード安定性とEMCが向上します。

アイドル状態のバイアスはもう半分です。終端されたペアにアクティブなドライバがない場合、0 V付近で浮遊し、未定義の論理レベルになります。RS-485ネットワークではフェイルセーフ・バイアス・ネットワーク — 通常は一方のラインにプルアップ、もう一方にプルダウン — を使用して、既知のアイドル状態を保持します。120 Ωの終端2個を並列接続（60 Ω）した場合、200 mVのアイドル差動には約3.3 mAが必要で、5 Vレールからは合計でおおよそ1.4 kΩ、つまり各側680 Ωになります。

CANトランシーバは通常、バイアスを内部で提供し、レセッシブ・レベルを規定します。これが、CAN配線を正しく行うのがより簡単である理由の1つです。

4. プロトコル：本当の違い

RS-485は2線ペア上で半二重です（4線全二重も存在します）。同時に有効化できるドライバは1つだけなので、ネットワークにはマスタ、トークン、またはソフトウェアで実装された衝突回避方式が必要です。これはModbus、DMX、Profibus形式のプロトコルや多くの独自リンクには適していますが、決定性はソフトウェアの品質以上には良くなりません。

CANは設計上マルチマスタです。バスがアイドルのときはどのノードもフレームを開始できます。2つのノードが同時に開始した場合、ドミナント識別子を持つ方が調停に勝ち、もう一方は自動的に再試行します。したがって、優先度の高いメッセージは遅延が上限付きとなり、CANが車両や機械の制御ループに使用される理由がここにあります。

5. 計算例: 300 m、250 kbps、16ノード

産業ネットワークでは、300 mの距離で250 kbps、16ノード、トランシーバ電源5 Vが必要である。どのバスを使用すべきか？

• 250 kbpsのCANは約250 mまでと規定されているため、300 mはすでに計画上の限界を超えています。リピータまたはより低いビットレートが必要です。
• 250 kbpsのRS-485は300 mで余裕があります。50 pF/mのケーブルでは、ペアは約15 nFになります。実効終端60 ΩではRC時定数は0.9 µs、10～90%立ち上がり時間は4 µsビットに対して約2 µsです。これは許容範囲で、スタブとコネクタのマージンもあります。
• 終端：両端に120 Ω。バイアス：680 Ω のプルアップとプルダウンにより、アイドル時の差動電圧は約 200 mV になります。

実用的な答えは、アプリケーションが CAN のアービトレーションや診断スタックを必要としない限り RS-485 です。距離だけでは決まりません。

CAN で同じ数値を当てはめると明らかです。250 kbps では CAN の制限は 250 m なので、300 m には 125 kbps（500 m）への低下かリピータの追加が必要になります。それはコンポーネントの選択ではなく、システムの変更です。

6. 絶縁、保護、ケーブル

長いフィールドバスはサージやグランドオフセットを拾います。コネクタ部では、TVS または ESD アレイがトランシーバを ESD とサージから保護します。コモンモードチョークは高周波エミッションを低減し、イミュニティを向上させます。ただし、どちらも、規定されたグランド基準や、オフセットが大きい場合の絶縁の必要性を置き換えるものではありません。

ガルバニック絶縁は、建物間や異なるグランドに接続された機器間の長距離伝送に対する堅牢な答えです。絶縁トランシーバは、ドライバ、レシーバ、および絶縁バリアを 1 つのパッケージに統合します。個別のデジタルアイソレータと非絶縁トランシーバの組み合わせでも、より多くの部品を使って同じ結果が得られます。選択基準は通常、性能ではなくコストと基板スペースです。

ケーブルはシリコンと同じくらい重要です。100～120 Ωの特性インピーダンス、50～60 pF/m、フォイルまたは編組シールドを備えたツイストペアが基本です。ほとんどの設置では、シールドを片端で接地することでグランドループを回避できます。例外は専用の基準導体を備えた設置で、その場合は両端をボンディングしてもよいでしょう。

7. プロトコルの例

RS-485では、Modbus RTUが最も一般的なプロトコルです。マスタがアドレスでスレーブをポーリングし、フレームごとにCRCが付きます。DMX512は照明用に同じ物理層を使用し、固定のフレームレートを持ちます。どちらもマスタがバスを制御するために機能しますが、ハードウェアによる衝突処理はどちらも提供しません。

CANでは、CANopenとJ1939がフレーム層の上にアドレッシングとプロファイルを追加します。アービトレーションがハードウェアで行われるため、優先度の高いメッセージが最初にバスを取得し、エラーフレームは迅速な再送を強制します。これはRS-485とは異なる信頼性モデルです。RS-485では、衝突したフレームはソフトウェアが検出しない限り単に失われます。

これらのバスが何ではないかを述べておく価値があります。ペイロードが大きい場合や、リモート診断と時刻同期が重要な場合、どちらも産業用Ethernetの代替にはなりません。Ethernetはマグネティクス、PHY、スイッチを追加し、異なる問題を解決します。フィールドバスは、単一ペア上の小規模で決定論的な制御トラフィックにとって依然として正しい選択です。

8. 選択

RS-485 を選ぶのは次の場合です:伝送距離が長く、プロトコルが既に定義されており（Modbus、独自プロトコル）、ノード数が少ない～中程度で、マスター・スレーブ構造が許容できる場合。同一のペア線を他の信号と共存させる必要がある場合や、コモンモードオフセットが予想される場合にも、より簡単な選択肢となります。

CAN を選ぶのは次の場合です:複数のノードがマスターなしで調停する必要があり、メッセージに優先順位があり、アプリケーションがハードウェア CRC、アクノリッジメント、再送の恩恵を受ける場合。自動車、バッテリ管理、モータドライブ、移動機械が典型的なケースです。

CAN FD を選ぶのは次の場合です:CAN のモデルが必要だがより多くの帯域幅が必要な場合 — 同じ調停フェーズのまま、データフェーズで最大 5 Mbps を実現できます。

9. どちらをどのような用途で使うべきでないか

• 安全上重要なマルチマスタ制御にはRS-485を使用しないでくださいソフトウェアプロトコルを実証済みでない限り。ハードウェアによる調停やエラー封じ込めはありません。
• 非常に長い低速センサ配線にはCANを使用しないでください単純なModbusリンクで済む場合。トランシーバとコントローラはメリットなしにコストを増やします。
• 単一のポイントツーポイントリンクにはどちらも使用しないでください数メートル未満の場合；単純なUARTまたはSPIの方が簡単で安価です。
• 絶縁なしでどちらも使用しないでくださいグラウンド電位差がコモンモード範囲を超える場合；デジタルアイソレータまたは絶縁トランシーバを追加してください。

立ち上がり時間とケーブル容量

このペアはRCラインとして動作します：t_r≈ 2.2 × R_終端× C_ケーブル、ここで R は_終端2つの終端の並列値（60 Ω）であり、C は_ケーブル全静電容量である。50 pF/m、300 m では C = 15 nF なので、t_r≈ 2 µs — 250 kbpsでは1ビットの半分です。ビットレートが上がると距離が急速に短くなる理由であり、ノードやスタブを追加するとさらに悪化する理由でもあります。

結果はデータシートの最大レートではなく、ビット時間と照らし合わせて確認してください。10 Mbps定格のトランシーバでも、10 Mbpsで300 mのリンクは失敗します。制限を決めるのはトランシーバではなくケーブルだからです。実際のケーブル長でのビット誤り率試験が、どんな表よりも価値がある理由もここにあります。

10. レイアウトとEMC

両バスは差動なので、ペアを一緒に配線し、インピーダンスを一定に保ち、リファレンスプレーンの分割を避けてください。終端はスタブの途中ではなくコネクタに配置します。スタブは短く保ちます。原則として、スタブはビット長の小さな割合であるべきで、1 Mbpsでは0.3 mを十分下回る必要があります。

サージおよびESD対策としてコネクタにコモンモードチョークとTVS保護を追加し、設置環境で共通グラウンドを保証できない場合はグラウンド基準導体を追加してください。トランシーバのコモンモード範囲はグラウンド処理を無視してよいという許可ではなく、マージンであり、設計手法ではありません。

11. 五つの間違い

1. 終端抵抗1本。片端に120 Ωを1本だけ置くと他端に反射が残る。両端に必要だ。

2. フェイルセーフ・バイアスなし。アイドルレベルが浮き、レシーバはノイズをデータとして拾う。

3. 各ノードへの長いスタブ。スタブは反射を増やし、使用可能なビットレートをケーブル長よりもはるかに大きく制限する。

4. 同一ペア上でRS-485とCANトランシーバを混在させる。信号方式と終端の前提が異なるため、ネットワークは信頼できなくなります。

5. CANの伝送距離がRS-485と同じであると仮定する。同じビットレートでは、CANの到達距離は多くの場合半分未満になります。

もう1つの実用的な違い: RS-485トランシーバにはスルーレート制限付きのものがあり、最大ビットレートと引き換えにEMIを低減します。CANトランシーバは固定ビットレート範囲向けに規定されており、その対称性は標準の一部です。ピン配置が似ていても、両者が互換性があると仮定しないでください。

12. チェックリスト

• 必要なビットレートと最大ケーブル長。
• ノード数とユニットロードの予算。
• マルチマスタまたはマスタスレーブ構成。
• 調停とレイテンシの要件。
• ノード間のコモンモード電圧。
• 両端終端を正しい値と配置で行う。
• フェイルセーフバイアス（RS-485）またはリセッシブレベル（CAN）。
• 絶縁要件。
• コネクタ部のサージ/ESD保護。
• 検証：実ケーブル長でのアイパターンまたはビットエラーテスト。

レイアウト前の10項目のチェックと、レイアウト後の1項目：実ケーブル長でビットエラーテストまたはアイダイアグラムの取得を実行する。2メートルのベンチケーブルで正しく見えるネットワークでも、設置長では依然として失敗する可能性があり、その故障モード—バスが完全に停止するのではなく、時折発生するビットエラー—はソフトウェア問題と誤診しやすい。

FAQ

RS-485とCANは同じケーブルを共用できますか？

いいえ。両者はシグナリング、終端、フレーム形式が異なります。同じ1対の線で両方を動作させると、両方のネットワークでエラーが発生します。

同じビットレートでCANの到達距離がRS-485より短いのはなぜですか？

CANのアービトレーションとビットタイミングはより厳しい信号品質を必要とし、そのトランシーバはコモンモード範囲が狭くなっています。RS-485はプロトコル層がトランシーバの外側にあるため、より許容度が高いです。

RS-485は何ノードまでサポートできますか？

標準トランシーバでは32単位負荷、1/8単位負荷の部品では最大256までです。ケーブル、終端、バイアスネットワークはそのノード数に合わせて設計する必要があります。

別途グランド線は必要ですか？

ノード間に無視できないグランドオフセットが生じ得る場合は、はい — トランシーバのコモンモード範囲に頼るよりも、基準導体または絶縁を設ける方が安全です。

ゲートウェイでRS-485とCANをブリッジできますか？

はい、可能です。レガシーRS-485デバイスをCANネットワークに接続する必要がある場合によく行われます。ゲートウェイは両プロトコルを実行し、アドレスを識別子にマッピングします。物理層は分離されたままです。

終端抵抗は多くの電力を消費しますか？

ドライバがアクティブなときのみです。実効60 Ω、5 Vの差動ドライブでは、終端電流は数十mAになります。1/4 W以上の抵抗を使用し、発熱が許容できる場所に配置してください。

RS-485にCANトランシーバを使用できますか？

いいえ。信号レベル、終端の要件、フレーム形式が異なります。RS-485にはRS-485トランシーバを、CANにはCANトランシーバを使用してください。

ノード数は距離にどのように影響しますか？

各ノードは静電容量と漏れ電流を追加します。250 kbpsの32ノードネットワークは、同じレートの4ノードネットワークとは動作が異なります。ノード数が多い場合や長いスタブがある場合は距離を低減してください。

CAN FDは新規設計に採用する価値がありますか？

アプリケーションが1 Mbpsを超えるペイロードを必要とし、コントローラが対応しているなら、はい。調停動作は変わらないため、システムモデルはそのまま適用できます。

用語集

ユニットロード

RS-485受信機の正規化された入力インピーダンス。32ユニットロードが従来の上限。

フェイルセーフバイアス

駆動されていないRS-485ペアに規定のアイドルレベルを保持する抵抗。

アービトレーション

CANが同時送信を識別子の優先順位で解決する方式。

スプリット終端

60 Ωの2つの抵抗と中点コンデンサで構成され、CANのコモンモード安定性のために使用される。

スタブ

メインバスからノードへの分岐。長いスタブは反射を引き起こす。

出典

• Texas Instruments、RS-485設計ガイド（SLLA272）— 終端、バイアス、ケーブル長。
• Texas Instruments、RS-422およびRS-485標準規格の概要（SLLA070）— 標準規格とコモンモード範囲。
• Texas Instruments、3.3 V CANトランシーバの概要（SLLA337）— CAN物理層とレベル。
• CAN高速物理層用のISO 11898-2、およびRS-485用のTIA/EIA-485-A。