RS-485의 통신 원리
차동 신호부터 결선 방식까지
1부에서는 RS-485가 왜 등장했는지, 어떤 특징을 갖고 있는지 간단하게만 살펴보았습니다.
이번 편에서는 RS-485가 장거리, 노이즈 환경에서도 안정적인 통신을 유지할 수 있는 근본적인 이유를 살펴보겠습니다.
핵심은 바로 신호를 어떻게 전달하느냐, 즉 단일 종단 방식과 차동 신호 방식의 차이에 있습니다.
이 개념을 이해하면 RS-485의 강점이 왜 생기는지 자연스럽게 이해할 수 있습니다.
단일 종단 신호(Single ended) 와 차동 신호(Differential)
RS-232 등의 단일 종단 방식은 신호선 하나의 전압을 GND기준으로 측정하여 HIGH/LOW를 판단합니다.
하지만 케이블 길이가 길어질수록 신호 전압이 점차 약해지고 외부 간섭의 영향도 커지게 됩니다.
이 과정에서 신호의 모양과 타이밍이 변형될 수 있으며, 수신 측에서는 원래의 HIGH/LOW 신호를 정확히 구분하기 어려워집니다.
반면 RS-485는 A선과 B선 두 가닥의 상대적인 전압 차이를 기준으로 데이터를 판단하는 차동 신호 방식을 사용합니다.
두 선이 항상 반대 방향으로 움직이기 때문에 케이블이 길어져 신호가 감쇠하더라도 두 선 사이의 전압 차는 비교적 일정하게 유지됩니다.
차동 신호가 강한 이유
이러한 차동 신호 방식은 두 선 사이의 전압 차이만을 비교하여 데이터를 판단하기 때문에 외부 전기적 간섭의 영향을 상대적으로 적게 받습니다.
예를 들어 주변 장비나 전력선에서 발생한 노이즈가 A선과 B선에 동시에 유입되더라도, 두 선의 전압 차이는 크게 변하지 않기 때문에 수신 측에서는 원래 데이터 값을 안정적으로 구분할 수 있습니다.
이러한 특성 덕분에 RS-485는 모터, 인버터 등 전기적 간섭, 즉 노이즈가 많은 환경에서도 안정적인 통신이 가능하며, 긴 케이블을 사용하는 장거리 통신 환경에서도 높은 신뢰성을 유지할 수 있습니다.
또한 연선 케이블(Twisted Pair Cable)을 함께 사용하여 외부 전자기 간섭을 더욱 줄임으로써 수백 미터 이상의 거리에서도 안정적인 데이터 전송이 가능합니다.
통신 방향의 종류 - 단방향(Simplex,) 반이중(Half-Duplex), 전이중(Full-Duplex)
단방향 통신 (Simplex)
데이터가 한 방향으로만 흐르는 방식입니다.
송수신측이 미리 고정이 되어있어 송신 측은 오직 보내기만 하고, 수신 측은 오직 받기만 합니다.
TV 방송, 라디오 등의 장치가 대표적인 예입니다.
구조가 단순하지만 수신 측에서 응답을 보낼 수 없다는 한계가 있습니다.
반이중 통신 (Half-Duplex)
하나의 회선으로 송신과 수신이 둘 다 가능하지만, 동시에는 불가능한 방식입니다.
한쪽이 데이터를 보내는 동안 다른 쪽은 데이터를 받을 수만 있습니다.
무전기가 가장 직관적인 예시입니다.
말할 때는 버튼을 누르고, 들을 때는 버튼을 놓는 방식과 동일합니다.
RS-485의 2선식 구성이 바로 이 반이중 통신 방식입니다.
전이중 통신 (Full-Duplex)
송신선과 수신선이 분리되어 있어 데이터를 양방향으로 동시에 주고받을 수 있는 방식입니다.
일반 전화 통화처럼 양쪽이 동시에 말하고 들을 수 있습니다.
RS-485의 4선식 구성이 바로 이 전이중 통신 방식입니다.
멀티드롭 방식
멀티드롭이란 하나의 통신 버스에서 1개의 Master와 다수의 Slave를 연결하는 구조를 의미합니다.
기존 RS-232가 하나의 송신기와 하나의 수신기만 연결하는 1:1 방식이었다면,
RS-485는 여러 장치가 동일한 A/B 통신선을 공유하는 버스 구조로 동작합니다.
이러한 구조에서 모든 장치가 하나의 통신 라인을 함께 사용하기에 각 장치를 구분하기 위한 주소(국번)가 필요합니다.
일반적으로 하나의 Master 장치가 통신을 시작하고, 특정 주소를 가진 Slave만 응답하는 방식으로 동작합니다.
만약 여러 장치가 동시에 데이터를 송신하게 되면 데이터 충돌이 발생할 수 있기 때문에, 대부분의 RS-485 네트워크는 Master-Slave 기반으로 통신을 제어합니다.
2선식과 4선식 결선 방식
RS-485 2선식 방식
2선식 방식은 하나의 선로를 송신과 수신이 함께 사용하는 반이중 통신 방식입니다.
TX+와 RX+를 하나로 연결하고, TX-와 RX-도 하나로 연결하여 두 개의 선으로 통신을 구성합니다.
모든 장치가 동일한 버스를 공유하기 때문에 배선 구조가 단순하다는 장점이 있지만,
동시에 여러 장치가 송신할 경우 데이터 충돌이 발생할 수 있어 송신 방향 제어가 필요합니다.
RS-485 4선 방식
4선식 방식은 송신선과 수신선을 각각 분리하여 송신과 수신이 동시에 가능한 전이중 통신 방식입니다.
Master의 송신선(TX)과 Slave의 수신선(RX)을 연결하고, 반대로 Slave의 송신선은 Master의 수신선과 연결하는 방식으로 구성됩니다
송신선과 수신선이 분리되어 있어 데이터 충돌 가능성이 낮고 안정적인 통신이 가능합니다.
또한 Master와 Slave 기반의 네트워크 구성을 효율적으로 구현할 수 있습니다.
종단저항이란?
통신 버스의 양 끝단에 연결하는 저항으로, 신호가 케이블 끝에서 반사되는 현상을 줄이기 위해 사용됩니다.
통신 신호는 케이블을 따라 이동하는 전기적인 파형인데, 케이블 끝에서 선로와 부하의 임피던스가 맞지 않으면 일부 신호가 다시 반사되어 되돌아오게 됩니다.
이러한 신호 반사는 원래 데이터와 겹치면서 파형 왜곡을 발생시키고, 심한 경우 데이터 오류나 통신 불안정의 원인이 됩니다.
주로 120Ω 저항을 사용하나 환경에 따라 값이 바뀌는 경우도 있습니다.
특히 통신 속도가 높거나 케이블 길이가 길수록 신호 반사의 영향이 커지기 때문에 종단저항의 중요성도 더욱 커집니다.
반대로 짧은 거리와 낮은 속도 환경에서는 종단저항 없이도 동작하는 경우가 있지만, 안정성을 위해 사용하는 것이 권장사항입니다.
마무리
이번 글에서는 RS-485의 핵심 구조와 동작 원리에 대해 살펴보았습니다.
차동 신호 방식을 기반으로 왜 장거리 통신과 노이즈 환경에 강한지 알아보았으며,
통신 방향 방식, 멀티드롭 네트워크 구조, 2선식/4선식 결선 방식, 그리고 종단저항의 역할까지 함께 정리해보았습니다.
그리고 다음 시간에는 이어서 통신 연결방식들에 대해 간단히 알아보도록 하겠습니다.
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