RS-485 と Modbus ── 遠くまで、大勢に

UART は近くて1対1、SPI / I²C は基板の中だった。今日は、ここを 「遠く・大勢」 へ広げる。工場の端から端まで、何十台もの機器を、一本のバスでつなぐ ── そういう世界の定番が RS-485、そしてその上で話す言葉が Modbus だ。

うれしいことに、土台は UART のまま。start/stop の枠も、ボーレートの約束も、そっくり生きている。RS-485 が付け足すのは、二つの工夫だけ ── 「遠くまで届かせる電気の持ち方」と「一本のバスに大勢ぶら下げる作法」。順に開けていこう。

1. 差で送ると、ノイズが消える ── 差動

まず「遠くまで」。UART の信号は、1本の線の電圧で 1/0 を表した（シングルエンド）。近くなら十分だけど、線が長くなると外来ノイズに弱い ── ノイズが電圧を揺らして、0V の境を逆に押し越えると、受け手が読み間違える。

RS-485 の答えが、いっそ美しい。線を2本（A と B）使って、同じ信号を逆向きに流す。受け手は、その“差”を読む。 こうすると何が起きるか ── ノイズは2本の線にほぼ等しく乗る（同じ場所を並んで走っているから）。だから A と B の差を取ると、両方に等しく乗ったノイズが、引き算でまるごと消える。残るのは信号だけ、しかも 2 倍になって。

下の widget で、その引き算を手で確かめてほしい。シングルエンドにノイズを乗せて誤読する所、そして A−B でノイズがすっと消える所が、いちばんの見どころだ。

式で書くと、ばかばかしいほど単純だ。A が「信号＋ノイズ」、B が「−信号＋ノイズ」。差を取ると：

$A - B = (\,s + n\,) - (\,-s + n\,) = 2s$

ノイズ $n$ は、二つの線に共通（コモンモード）だから、引き算で消える。これを コモンモード除去 と呼ぶ。差動という一手だけで、RS-485 は最大 1200m、しかも高速・多ノイズ環境に耐える線になる。ツイストペア（2本をより合わせた線）を使うのも同じ理屈で、より合わせると2本がいっそう「同じノイズ」を浴びるので、引き算がさらによく効く。

2. 一本のバスに、大勢 ── マルチドロップ

次に「大勢」。RS-485 は、その2本の線を 共有のバスにして、たくさんの機器をぶら下げられる（マルチドロップ）。一本の幹線に、機器が枝のようにぶら下がる ── 32台、対応チップによってはもっと。

ただ、線が共有ということは、同時に二人が喋ると混信する。だから「いつ・誰が喋るか」の交通整理が要る。いちばん素直なやり方は、親分（master）を一人決めて、その親分だけが口火を切ること。子（slave）は、自分が名指しで聞かれたときだけ答える。この交通整理の作法が、次の Modbus だ。

3. 順番に、聞いて回る ── Modbus とポーリング

Modbus は、RS-485 の上でいちばん広く使われている言葉だ。やることは拍子抜けするほど素朴で、master が 「アドレス○番の機器の、レジスタ△を読んで（書いて）」 と頼み、その相手だけが返事をする。中身は、アドレス＋機能コード（読み 0x03 / 書き 0x06 など）＋レジスタ番号＋データ＋誤り検出（CRC）。下の widget で1行ずつ。

ここで、この記事でいちばん覚えておいてほしい言葉が出てくる ── ポーリングだ。共有バスでは一度に1台しか喋れないから、master は 1台ずつ、順番に聞いて回るしかない。「addr 1 さん？」と聞いて返事を待ち、「addr 2 さん？」と聞いて待ち……。

# master は、相手を変えて聞いて回る（ポーリング）
for addr in [1, 2, 3, 4]:
    rr = client.read_holding_registers(0, 2, slave=addr)
    # ↑ 1台ぶんの往復。台数が増えるほど、一周が遅くなる

この「1台ずつ往復する」やり方は、堅実で、配線も安くて、いまも世界中の工場で現役だ。でも弱点もはっきりしている ── 台数が増えるほど、一周が遅くなる。100台あれば、最後の1台の番が回ってくるまで、99回の往復を待つことになる。

そして ── ここで線がつながる。EtherCAT が「一枚のフレームで全員ぶんを一度に」とひっくり返したのは、まさにこのポーリングの世界だったんだ。RS-485 / Modbus が「順番に聞いて回る」なら、EtherCAT は「列車が全員の家を通り抜けながら一度に集める」。今その対比が、実感として効いてくるはずだ。

4. どこに居るのか ── 産業ネットワークの、最初の一段

RS-485 と Modbus は、産業フィールドバスのいちばん土台にいる。差動で遠くまで、マルチドロップで大勢、master-slave で交通整理 ── この三点セットが、この後に出てくる賢いネットワークたちの、共通の出発点になる。

• 「ポーリングが遅い」を、優先度つきの早い者勝ちで解く → CAN（次回）。
• 「共有バスの混信」を、Ethernet の物理に載せ替えて速くする → 産業 Ethernet（PROFINET / EtherCAT …）。

UART で握った start/stop・ボーレートは、ここでも生きていた。SPI/I²C で覚えた「アドレスで選ぶ」も、Modbus でそのまま効いた。土台に石を積むほど、下の石が何度も顔を出す ── これが、通信を下から積む面白さだと思う。次は、車の中で鍛えられた賢いバス、CAN へ行こう。