電子回路　通信インターフェイス

N. 通信インターフェイス（Communication Interfaces：完全版）

マイコン・計測器・センサ・PC・ネットワーク機器をつなぐ通信インターフェイスは、 電子工学の中心的テーマである。本章では、古典的な RS-232C から 現代の USB 3.x・Ethernet・CAN FD まで幅広く体系的に整理する。

範囲：

• パラレル / シリアル・同期 / 非同期の分類
• UART / RS-232C / RS-485
• I²C / SPI / 1-Wire / I²S
• USB 1.1 / 2.0 / 3.x / Type-C / PD
• Ethernet（10M ～ 10G）/ PoE / DHCP / TCP/IP
• CAN / CAN-FD / LIN / FlexRay
• GPIB（計測器のレガシー標準）
• PCI Express / SATA / HDMI（高帯域バス概観）

N1. 通信の分類

(1) パラレル通信

• 複数ビットを同時転送（例：8bit, 16bit）
• 高速だが配線本数が多く、長距離は不向き
• 例：メモリバス、旧プリンタポート

(2) シリアル通信

• 1本（+GND）のラインで順番にビットを送る
• 長距離・高信頼・低配線
• 例：RS-232C, RS-485, CAN, USB, Ethernet

(3) 同期 / 非同期

• 同期：クロック線を共有（SPI, I²C）
• 非同期：内部クロックによる復元（UART）

N2. UART の基礎

(1) フレーミング例（8N1）

スタートビット(0) → 8bit データ → パリティ → ストップビット(1)

(2) パリティ

• None（無し）
• Odd（奇数パリティ）
• Even（偶数パリティ）

(3) ボーレート

9600 / 19200 / 115200 / 921600 bps など

(4) UART は物理層ではない

UART は 0/1 の論理信号だけで、線上の電圧は別規格（RS-232C/485）が決める。

N3. RS-232C（EIA-232）

(1) 電圧

• 1：-3 ～ -15 V
• 0：+3 ～ +15 V

(2) レベル変換 IC

MAX232 系で TTL ⇔ ±12 V 変換

(3) フロー制御

• RTS / CTS（ハードウェア）
• XON / XOFF（ソフトウェア）

N4. RS-485（長距離・ノイズ耐性）

(1) 特徴

• 差動伝送（A-B）で高ノイズ耐性
• 最大 1200m 程度
• マルチドロップ（1対多）

(2) 終端抵抗

バス両端に 120 Ω 終端を設置し反射を防ぐ。

(3) 典型用途

• Modbus-RTU
• 工場ライン・計測器ネットワーク

N5. I²C・SPI

I²C

• 2線（SCL・SDA）
• アドレスでデバイス指定
• マルチマスタ対応
• オープンドレイン＋プルアップ必須

SPI

• 4線（SCK, MOSI, MISO, CS）
• フルデュプレックス
• 数十 MHz 超の高速通信

N6. 1-Wire / I²S

(1) 1-Wire

データと電源を 1 本で伝送。温度センサ DS18B20 など。

(2) I²S（Inter-IC Sound）

音声データ用の同期シリアル。

• WS（ワード選択）
• SCK（ビットクロック）
• SD（シリアルデータ）

N7. GPIB（IEEE-488）

計測器を PC から制御する工業標準。 SCPI コマンドを用いて制御が可能。

• 8bit データ線＋ハンドシェイク
• 最大 15 台
• USB-GPIB / LAN-GPIB 変換で現代でも利用

N8. USB（Universal Serial Bus）

(1) USB の特徴

• ホスト <=> デバイス構造（ツリー型）
• ホットプラグ可能
• 電源供給（VBUS）

(2) 転送速度

(3) Type-C コネクタ

• 表裏両対応
• USB2/3/4, DP Alt, Thunderbolt 等に対応

(4) USB-PD（Power Delivery）

• 最大 240 W まで給電可能
• CC1/CC2 ラインでプロトコル通信

(5) 通信方式

• 制御転送（Control）
• バルク転送（Bulk：大量データ）
• 等時転送（Isochronous：音声）
• 割り込み転送（Interrupt：マウス等）

N9. Ethernet（LAN：10BASE-T → 10GBASE-T）

(1) 通信速度

(2) ケーブル

• Cat5e：1Gbps
• Cat6/6A：10Gbps
• Cat7/8：更に高速

(3) 上位プロトコル

• IP（アドレス指定）
• TCP（信頼性）
• UDP（高速）
• DHCP（自動 IP 割当）

(4) PoE（Power over Ethernet）

LAN ケーブルから電力供給（例：IP カメラ）

N10. CAN / CAN-FD / LIN

(1) CAN（Controller Area Network）

• 差動伝送（高ノイズ耐性）
• 衝突時の自動再送
• ID による優先度制御

(2) CAN-FD

• 最大 8 → 64byte のデータ拡張
• 高速フェーズで 8Mbps 程度

(3) LIN（Local Interconnect Network）

低速だが安価。ドア・シート制御等の車内局所通信。

N11. PCI Express / SATA / HDMI（高速差動通信）

(1) PCI Express（PC内部バス）

レーン（x1, x4, x8, x16）で拡張。Gen3 で 8 Gbps/レーン。

(2) SATA（ストレージ）

1.5 / 3.0 / 6.0 Gbps。差動ペアで通信。

(3) HDMI（映像インターフェイス）

TMDS と呼ばれる高速差動伝送。HDMI2.0 で 18Gbps。

N12. プロトコルとエラー検出

• パリティ（奇・偶）
• チェックサム
• CRC（CAN/Ethernet で標準）
• 再送制御（ARQ）

N13. 実務的注意（レベル変換・終端・GND・EMC）

• RS-232C ⇔ TTL は必ず変換（MAX232）
• RS-485・CAN は差動終端（120 Ω）
• I²C はプルアップ抵抗
• USB の D+/D− は特性インピーダンス 90Ω で配線
• Ethernet は 100Ω 差動ペア
• GND ループを避ける（産業機器で重要）

参考URL

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