RS-485·RS-422 차동 신호 분석 — Termination·Biasing·Topology

#한 줄 요약

“RS-485는 산업 현장의 표준 시리얼입니다.” 차동 신호로 1.2 km 거리, multi-drop으로 32개 노드를 묶을 수 있습니다.

#어떤 상황에서 쓰나

• 공장 PLC와 sensor/actuator 통신 (Modbus RTU)
• 건물 자동화(BACnet MS/TP)
• 태양광 inverter 모니터링
• 의료 장비 간 데이터 링크
• 노이즈 강한 환경의 보드 간 통신

#핵심 개념

#1) RS-422 vs RS-485

RS-422는 한 driver가 여러 receiver에 broadcast 합니다. RS-485는 여러 driver가 같은 line을 share 합니다(turn-around).

#2) 차동 전압 정의

UART 신호의 1/0이 그대로 차동 A/B로 매핑됩니다.

#3) Bus 구조와 종단

종단은 CAN과 마찬가지로 양 끝에만, 중간 노드는 종단 금지. 노드 분기(stub)는 가능한 짧게.

#4) Fail-safe biasing

idle 상태(모든 driver disable)에서 line이 unknown이 되면 receiver가 random 데이터를 출력합니다. 이를 막기 위해 외부 bias로 line을 살짝 1로 끌어둡니다.

이렇게 하면 idle 시 A > B로 살짝 양수가 되어 receiver가 1을 출력합니다(UART idle 상태).

#5) Half-duplex와 turn-around time

RS-485는 한 시점에 한 driver만 송신합니다. RX/TX 전환에 시간이 걸리므로 protocol에서 이를 고려해야 합니다.

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// MAX485 — DE/RE pin으로 송수신 전환
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gpio_set_high(DE_RE);      // TX enable
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uart_send(data, len);
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while (!(USART1->ISR & USART_ISR_TC));   // wait last bit out
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gpio_set_low(DE_RE);       // RX enable

마지막 비트가 line을 떠난 후 DE를 내려야 합니다. 너무 빨리 내리면 마지막 비트가 잘립니다.

#코드 / 실제 사용 예

Modbus RTU master 전송 예시입니다.

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// Modbus RTU — 9600 baud, 8N1
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// silent interval 3.5 char time = 4 ms @ 9600
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#define DE_RE_PIN  5
5

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void modbus_send(uint8_t *frame, int len) {
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    GPIOA->BSRR = (1 << DE_RE_PIN);          // TX enable
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    delay_us(10);                              // settle
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    for (int i = 0; i < len; i++) {
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        while (!(USART1->ISR & USART_ISR_TXE_TXFNF));
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        USART1->TDR = frame[i];
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    }
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    while (!(USART1->ISR & USART_ISR_TC));   // wait stop bit
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    GPIOA->BSRR = (1 << (DE_RE_PIN + 16));   // RX enable
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}
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// 슬레이브 응답 대기 — silent interval로 frame end 감지
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void modbus_receive(uint8_t *buf, int *len) {
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    int idx = 0;
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    uint32_t last_byte = get_ms();
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    while ((get_ms() - last_byte) < 4) {
25
        if (USART1->ISR & USART_ISR_RXNE_RXFNE) {
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            buf[idx++] = USART1->RDR;
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            last_byte = get_ms();
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        }
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    }
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    *len = idx;
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}

CRC-16 (Modbus CRC) 계산 코드는 별도로 필요합니다.

#측정 / 비교

#자주 보는 함정

⚠️ Fail-safe bias 누락

idle 시 garbage data가 들어옵니다. master가 송신 후 RX로 전환된 직후 첫 byte를 매번 잘못 읽습니다. 680Ω + 680Ω bias가 표준 해법입니다.

⚠️ DE 너무 빨리 내림

마지막 byte의 stop bit가 line을 떠나기 전에 DE를 내리면 마지막 bit가 잘립니다. TC (Transmission Complete) flag를 기다린 후 내립니다.

⚠️ Twisted pair 미사용

평행 wire는 common-mode 노이즈가 차이로 들어옵니다. 반드시 twisted pair를 씁니다.

⚠️ GND 연결 누락

차동이라도 common-mode 범위는 -7 ~ +12 V로 제한됩니다. 노드 간 ground 전위차가 크면 transceiver가 죽습니다. 별도 ground wire를 한 줄 더 보내거나 isolation 사용.

⚠️ 중간 노드 종단

bus 중간의 노드에 120Ω을 달면 신호 진폭이 절반으로 줄어 receiver가 못 잡습니다. 양 끝만 종단.

⚠️ Address 충돌(Modbus)

같은 slave 주소를 두 노드에 설정하면 응답 시 collision. master는 garbage를 받습니다.

#정리

• RS-485는 산업 현장의 표준 차동 시리얼입니다. 32 unit load, 1.2 km 거리.
• 양 끝 120Ω 종단, fail-safe bias(680Ω), twisted pair가 표준 구성입니다.
• DE/RE 전환은 송신 완료 후에만 합니다. TC flag로 마지막 비트 종료를 확인합니다.
• GND 연결 없이는 동작하지 않습니다. common-mode 범위를 넘으면 transceiver가 죽습니다.
• 중간 노드 종단, twisted pair 누락이 흔한 디버깅 원인입니다.

다음 편에서는 LVDS와 차동 신호 일반을 다룹니다. 더 빠른 차동 신호의 세계입니다.

#관련 항목

• 1-04: UART 하드웨어 동작
• 1-10: CAN 버스 전기적 특성
• 1-12: LVDS / 차동 신호 일반