USB-シリアルケーブルの構造：信号経路、ブリッジIC、UART、RS232、RS485について解説

USB-シリアル変換ケーブルの外観は非常にシンプルです。片方の端はUSBポートを備えたノートパソコンに接続され、もう片方の端はRS232、RS485、RS422、TTL、DB9、RJ45、または端子線を備えたシリアルデバイスに接続されます。ほとんどのユーザーにとって、これは単にCOMポートを取得するための便利な方法です。しかし、実際には、電気的に、USB-シリアル変換アダプタは単なるケーブルではありません。

筐体内部ではUSB信号を受信し、オペレーティングシステムがそれを認識します。その後、USBシリアルブリッジICによってUARTデータに変換され、さらにRS232、RS485、TTL UARTなどの適切な電気規格に変換されます。この一連の処理経路は、USB-シリアル信号チェーンと呼ばれます。

この信号経路を理解することで、コネクタの形状が似ている2本のUSB-シリアル変換ケーブルが、産業オートメーション、PLCプログラミング、Modbus RTU通信、ファームウェアのデバッグ、現場メンテナンスなどの場面で、なぜ異なる動作を示すのかを理解するのに役立ちます。

USB-シリアル変換ケーブルの内部では何が起こっているのか？

平均的に、USB-シリアル変換ケーブルは様々な機能ブロックで構成されています。最初のブロックは、ホストコンピュータと通信するUSB​​インターフェースです。次のブロックは、FTDI、Silicon Labs CP210x、WCH CH340、またはProlific PL2303などのUSBシリアルブリッジICです。その次のブロックは、シリアルデータフレームを生成する内部UARTエンジンです。最後のブロックは、UARTレベルの信号をRS232、RS485、RS422、またはTTL出力に変換するラインドライバです。

つまり、USB-シリアル変換ケーブルは単なる受動的な配線ではなく、動作する電子機器である。ケーブルは片側でUSBプロトコル通信を、もう片側で従来のシリアル通信をサポートする必要がある。

通常のUSB-RS232ケーブルでは、ブリッジICがUARTデータを生成し、RS232トランシーバが論理信号を正負の電圧レベルに変換します。USB-RS485ケーブルは、UART信号を差動RS485ドライバに送信します。USB-TTLケーブルでは、UART信号を3.3Vまたは5Vの論理レベルで出力ピンに直接接続できます。

そのため、内部チップ、ドライバのサポート、ボーレートの精度、レイテンシー特性、保護回路など、すべてが重要となるのです。

USB列挙：コンピュータがケーブルを検出する方法

USB-シリアル変換ケーブルを介してシリアルデータを送信するには、まずコンピュータがそのケーブルをUSBデバイスとして認識する必要があります。これはUSB列挙と呼ばれます。

USB-シリアルアダプタは、列挙される際に、ベンダーID、製品ID、デバイスクラス、その他の記述子をオペレーティングシステムに通知します。Windows、Linux、またはmacOSは、このデータを使用して適切なドライバをロードし、仮想COMポートを作成します。

つまり、FTDIベースのUSB-シリアル変換ケーブルは、WindowsデバイスマネージャーではUSBシリアルポートとして表示される可能性があります。CP2102ベースのアダプタは、Silicon Labsドライバをロードできます。CH340ベースのケーブルは、オペレーティングシステムのバージョンによってはWCHドライバが必要になる場合があります。

この手順は非常に重要です。なぜなら、USB-シリアルケーブルに関する問題のほとんどは、この手順から始まるからです。ドライバが存在しない場合、古い場合、または互換性がない場合、シリアルデバイスは認識されません。ブリッジICが偽物であったり、プログラムが間違っていたりすると、コンピュータはUSBデバイスを認識するかもしれませんが、正常に動作するCOMポートは生成されません。

産業ユーザーにとって、USB列挙の安定性は非常に重要です。工場の技術者やフィールドエンジニアは、USB-RS232変換ケーブルやUSB-RS485変換ケーブルを新しいノートパソコンに接続するたびにドライバの診断を行うのは避けたいものです。

USBシリアルブリッジICはコアコンポーネントです

USB-シリアル変換ケーブルの主要構成要素は、USBシリアルブリッジICです。このチップは、USBデータをUARTデータに変換し、ホストコンピュータがシリアル側とやり取りする方法を制御します。

一般的なブリッジICファミリとしては、FTDI FT232、Silicon Labs CP2102およびCP2102N、WCH CH340、Prolific PL2303などがあります。各チップファミリの特性は、ドライバのサポート、ボーレートの精度、レイテンシータイマーの動作、FIFOバッファのサイズ、および長期信頼性によって異なります。

ほとんどのチップは、9600bpsまたは115200bpsの基本的な端末通信レベルで動作可能です。しかし、産業環境ではその違いはより顕著になります。Modbus RTUシステムでは、安定したタイミングが要求される場合があります。ファームウェア書き込みソフトウェアでは、一貫したDTRコマンドとRTSコマンドが必要になる可能性があります。高速データロガーでは、正確なボーレートを生成し、十分なバッファ容量を確保する必要があるかもしれません。

こうした理由から、プロのユーザーは、目に見える接続部分だけでなく、USB-シリアルケーブルに搭載されているチップにも関心を持つ可能性がある。

優れたUSBシリアルブリッジチップは、ドライバの安定性を向上させ、通信エラー率を低減し、非標準のボーレートの使用を可能にし、RTS、CTS、DTR、DSRなどのシリアルインターフェースの信号をより詳細に制御することを可能にします。

UART：USBとシリアル規格の中間層

USBポートからデータが取り込まれると、それをUART通信に変換する必要があります。UARTとはUniversal Asynchronous Receiver/Transmitter（汎用非同期送受信機）の略称です。RS232、RS485、RS422、TTLなどのシリアルデバイスで使用される最もシンプルなシリアル通信方式がUARTです。

UARTフレームは通常、スタートビット、データビット、オプションのパリティビット、およびストップビットで構成されます。最も一般的なフォーマットは、8データビット、パリティなし、1ストップビットの8N1です。しかし、業界では他の構成も可能です。特に、偶数パリティまたは2ストップビットをサポートするModbus RTUデバイスがいくつかあります。

設定の不一致は、USBとシリアル通信において広く知られている問題です。ボーレート、パリティ、データビット、ストップビットが両側で一致しない場合、データの破損、応答なし、または通信の断続といった問題が発生します。

UART層では、ボーレートの精度が重要であることも明らかになります。UARTは非同期通信であるため、2つのデバイスは共通のクロックを持ちません。両者のタイミングはそれぞれ独立して制御する必要があります。USBシリアルブリッジICが出力するボーレートに誤差が大きすぎると、受信側デバイスが誤ったビットサンプルを取得し、フレーミングエラーが発生する可能性があります。

USB-シリアル変換器の大部分は、9600、19200、38400、115200といった一般的なボーレートでは良好な性能を発揮します。しかし、カスタムボーレートや高速シリアル通信でデータを送信する場合、ブリッジICの品質はより重要になります。

TTL、RS232、RS485は電気的に異なる

シリアル通信は、多くのユーザーによってプロトコルだけの問題だと考えられがちですが、物理層も考慮する必要があります。TTL、RS232、RS485は、同等の電気規格ではありません。

ロジックレベルのUART信号は通常、USBからTTLケーブルに出力され、標準電圧レベルは3.3Vまたは5Vです。マイクロコントローラ開発、組み込みデバッグ、Arduino、ESP32、STM32、ファームウェアプログラミングなどは、この種のケーブルの一般的な用途です。危険なのは電圧の不一致です。5VのTTL信号が3.3VのMCUピンに接続されている場合、デバイスが破損する可能性があります。

USB-RS232変換ケーブルは、正負の電圧を出力するRS232トランシーバーを使用します。RS232はシングルエンド方式であり、ポイントツーポイント通信で一般的に用いられます。PLC、CNC工作機械、医療機器、POSシステム、計測機器、従来型の産業機器など、幅広い分野で利用されています。

USB-RS485ケーブルは差動ドライバを備えています。データはA線とB線と呼ばれる2本のワイヤを通して伝送されます。差動信号方式を採用しているため、RS485はRS232やTTLよりもノイズ耐性が高く、伝送距離も長くなります。この特性により、USB-RS485ケーブルはModbus RTU、エネルギーメーター、HVACコントローラ、ビルオートメーション、アクセス制御システム、産業用フィールド機器などで広く利用されています。

ここで重要なのは、USBポートとシリアルポートを接続するケーブルは、プロトコルと電気的なインターフェースの両方が一致している必要があるということです。ボーレートとデータフォーマットが同じであっても、RS485デバイスをTTL出力に直接接続することはできません。

RS485方向制御およびModbus RTUタイミング

方向制御は、USB-RS485ケーブルの設計において最も重要な課題の一つです。RS485の一般的な実装は半二重通信であるため、デバイスは同じ配線上で送受信を行うことができますが、同時に行うことはできません。

RS485ドライバは、データを送信するために送信モードにする必要があります。データの送信が完了したら、他のデバイスが応答できるようにバスを解放する必要があります。これは、RS485トランシーバのDEピンとREピンによって制御されます。

他のUSB-RS485アダプタはRTS制御を採用している。問題の設計では、RTS信号を切り替えるソフトウェアまたはドライバによって送信と受信を切り替えるようになっている。これは効果的かもしれないが、その効果はオペレーティングシステムのタイミングとアプリケーションの動作に依存する。

より高性能なUSB-RS485ケーブルを使用すれば、自動方向制御が可能になる場合があります。このアダプタは、送信されるUARTデータを検知し、必要な場合にのみRS485ドライバを起動します。最終ストップビットの転送が完了すると、自動的にバスを解放します。応答時間が極めて重要となるModbus RTU通信においては、この機能は特に重要です。

方向制御が弱い場合、応答がない、バス衝突、任意のCRCエラー、または高ボーレートでの通信障害などの症状が現れる可能性がある。

遅延：USBシリアル通信が瞬時に行われない理由

USB-シリアル変換ケーブルが制御できる必要がある機能の一つに、レイテンシがあります。UARTのすべてのバイトは、USBによって単一のイベントとして即座に送信されるわけではありません。むしろ、バッファに格納され、パケット単位でUSB経由で送信されます。

このブリッジICには内部FIFOバッファが内蔵されています。オペレーティングシステムドライバにもバッファがあります。ほとんどのUSBシリアルブリッジICには、バッファリングされたデータをホストに転送する時間を決定するレイテンシータイマーが搭載されています。これは効率的ですが、タイミングが重要なプロトコルに干渉する可能性があります。

一般的なRS232ターミナルを使用する場合、数ミリ秒程度の遅延は問題にならないでしょう。しかし、Modbus RTU、産業用ポーリング、またはリアルタイムデバイス制御を使用する場合は、遅延が大きな問題となる可能性があります。USB-シリアルアダプタが受信バイトの転送に時間がかかりすぎると、アプリケーションがフレームタイミングを誤認識する可能性があります。

産業用USB-シリアル変換ケーブルが、一般的な低価格アダプタよりも効果的な理由の一つとして、ブリッジICやドライバ設定を採用し、レイテンシーの予測精度が高く、応答特性が向上していることが挙げられます。

産業用USB-シリアルケーブルにおける絶縁と保護

産業環境は電気的にノイズが多い。モーター、インバーター、リレー、長いケーブル、そして様々な接地電位などが、一般的なUSB-シリアル変換アダプタを破損させるような状況を生み出す可能性がある。

このため、産業グレードのUSB-RS485ケーブルおよびUSB-RS232ケーブルには、ガルバニック絶縁、ESD保護、サージ保護、コモンモードフィルタリングなどの機能が搭載されている可能性がある。

USB側とシリアル側の間のガルバニック絶縁により、両者が分離されます。これは、グランドループ電流がラップトップ、USBコントローラ、または接続されたデバイスに損傷を与えるのを防ぐのに役立ちます。絶縁は、デバイスが遠く離れている場合や、異なる電源から電力が供給されている場合に、RS485ネットワークにおいて特に重要です。

ESD保護機能は、アダプタの抜き差し時や現場での配線時に発生する静電気放電を防ぎます。長いRS485ケーブルでは高エネルギーの過渡現象が蓄積される可能性があるため、サージ保護は非常に重要です。

保護回路は必ずしも外見上明らかではないが、長期的な信頼性に大きな影響を与える。安価なUSB-シリアル変換ケーブルは机上では使用できるが、工場のキャビネット内では機能しない。産業用途を想定して作られたこの種のケーブルは、より過酷な電気環境下でも動作する。

なぜ2本のUSB-シリアルケーブルは異なる性能を示すのか

2本のUSB-シリアル変換ケーブルは見た目は同じでも、内部構造は根本的に異なる可能性があります。片方は信頼性の高いFTDIまたはCP2102NブリッジICをベースにしているのに対し、もう片方は安価な互換チップをベースにしているかもしれません。片方は正確なボーレートを提供できるのに対し、もう片方は高速動作時にタイミングエラーが発生する可能性があります。USB-RS485変換ケーブルは、片方は自動方向制御機能を備えているのに対し、もう片方はソフトウェアによるRTSタイミングに依存しているかもしれません。

その他の違いとしては、ドライバの品質、FIFOバッファ容量、レイテンシーの設定、ESD保護、ケーブルのシールド、コネクタの品質、電圧レベルの精度などが挙げられる。

これは、あるUSB-シリアル変換アダプタがPLC、Modbusデバイス、組み込みボードで正常に動作する一方で、別のアダプタではランダムな切断やデータ読み取り不能が発生する理由を明確にするものです。コネクタは単なる目に見える部品に過ぎません。実際の性能を決定づけるのは、その内部にある信号経路なのです。

結論

USB-シリアル変換ケーブルは、受動的な配線ではなく、能動的な変換装置です。内部的には、USBデータは列挙、USBシリアルブリッジIC、UARTフレーミング、ラインドライバを経て、TTL、RS232、RS485、またはRS422に変換されます。

内部設計は、産業オートメーション、Modbus RTU、PLCプログラミング、ファームウェアデバッグの安定性に直接影響を与えます。ブリッジICの品質、ボーレートの精度、レイテンシ、RS485方向制御、絶縁性、保護性能は、ケーブルがアプリケーションで信頼できるかどうかを決定する要因となります。

著者

フランク・ヤン
創業者 | Farsince Connectivity Solutions

フランク・ヤンはFarsinceの創設者であり、ケーブルおよび接続業界で13年以上の経験を持ち、データセンター、産業、ネットワーク接続ソリューションに関して世界中の顧客と緊密に連携してきました。