PDF de programación - Desarrollo de un Software de Medición del Estrés para un Dispositivo Foto-pletismógrafo Basado en el Protocolo USB 2.0

CENTRO DE INVESTIGACIÓN Y DE ESTUDIOS AVANZADOS

DEL INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

Unidad Zacatenco

Departamento de Computación

Desarrollo de un Software de Medición

del Estrés para un Dispositivo
Foto-pletismógrafo Basado en el

Protocolo USB 2.0

Tesis que presenta

Andrés Bernal Jiménez

para obtener el Grado de

Maestro en Ciencias en Computación

Director de la Tesis

Dr. Adriano De Luca Pennacchia

México, D.F.

Abril 2010

II

Resumen

El estudio de la medición de estrés es un reto para los médicos y psicólogos, que me-
diante diferentes métodos tratan de saber el nivel de estrés de un paciente. La im-
portancia de dicha medición recae en que poder determinar si una persona está afec-
tada por el estrés o no, por consecuencia esto permitiría definir un mejor tratamiento a
aplicar en un paciente.

Estudios formales han contribuido en el establecimiento de las variables partici-
pantes en los síntomas del estrés, y con ello se han desarrollado mecanismos de medi-
ción que permiten su estudio. Los mecanismos usuales para llevar a cabo este tipo de
mediciones es mediante pruebas fisiológicas y psicológicas.

En trabajos anteriores se ha mejorado la adquisición de los datos, así como el hard-
ware del dispositivo necesario para la obtención de la señal fisiológica. El análisis de
los datos debe ser mostrado gráficamente, posteriormente interpretado por personal
clínico, psicólogos y personas interesadas en el estudio del estrés. La cantidad de
muestras obtenidas es insuficiente para un análisis más detallado de la información,
lo que produce resultados inexactos. De ahí la necesidad de implementar un nuevo
esquema de adquisición de los datos provenientes de la parte del hardware y software.

Por lo tanto, el trabajo que aquí se presenta es un sistema que implementa un meca-
nismo de medición basado en mediciones fisiológicas. A este sistema de medición del
estrés se le ha denominado “Stress”.

Corresponde a este trabajo, interpretar y presentar el resultado del análisis de los
datos de una manera más eficiente al realizado anteriormente, así también aumentar
la cantidad de muestras obtenidas por segundo mejorando la transmisión por medio
del protocolo USB 2.0.

Nosotros utilizamos un esquema basado en el uso de la programación del lenguaje
Java en combinación con el lenguaje C, permitiendo una mayor velocidad en la trans-
misión de los datos y facilitando la programación y el desarrollo de posteriores actua-
lizaciones al sistema.

III

IV

Abstract

Nowadays the stress measurement is a challenge for physicians and psychologists, that
using different methods they try to find the stress level of patients. The importance of
these measurements lies in order to determine whether a person is affected by stress
or not, this result would define better treatment to apply in one patient.

There are formal studies that have helped to establish the variables involved in stress
symptoms, and thus have developed measurement tools that allow its study. The usual
mechanisms used for these measurements are physiological and psychological tests.

In previous works has improved the data acquisition and the hardware necessary
for obtaining physiological signal. The analysis of data should be shown graphically
and later interpreted by clinicians, psychologists and others interested in the study of
stress. The number of samples is insufficient for a more detailed analysis of informa-
tion, leading to inaccurate results. That is why the need arises to implement a new
scheme of data acquisition from the hardware and software.

Therefore, we present a system which implements a measuring mechanism based

on physiological measurements, that is called "Stress".

In this system we interpret and present the result of analysis of data more efficiently
to previous made, and we increase the number of samples taken per second too, im-
proving the transmission through the USB 2.0 protocol.

We use an scheme that is based on combination of Java and C programming lan-
guages, increasing the speed of data transmission and facilitating the programming
and development of subsequent updates to the system.

V

VI

Agradecimientos

VII

Agradecimientos
A Dios, por brindarme el don de la vida y regalarme una familia maravillosa.

A mis hermanos:
A ti Paco, gracias por tu apoyo, com-
pañia en momentos difíciles y por
enseñarme a tener la fortaleza para
superar cualquier obstáculo en esta
vida. Y claro, gracias a mi hermanito
Chuchin, por tu cariño, por recibirme
siempre con una sonrisa y abrazo, los
quiero mucho.

A mi madre querida: A ti mi cha-
parrita, la mujer más maravillosa e
importante en mi vida, gracias por
todo ese amor que me has brindado,
por tus acertados consejos, regaños y
tu apoyo incondicional. Nunca serán
suficientes las palabras para agrade-
certe, gracias, te quiero mucho.

A mi familia:
Gracias a mi querida familia, por todo
su cariño y todos esos momentos ma-
ravillosos que hemos compartido, a to-
dos ellos gracias.

VIII

A mis revisores:
Dra. Sonia Mendoza Chapa y Dr. José
Guadalupe Rodríguez García: por sus
acertadas correcciones y por el tiempo
dedicado a la revisión de esta tesis.

Agradezco al Dr. Abdiel Cáceres
González por su confianza y por ani-
marme a estudiar la maestría en el
Cinvestav.

Gracias
al Consejo Nacional de
Ciencia y Tecnología por haberme
proporcionado el apoyo económico
para sustentar mi estancia durante
el tiempo que realicé mis estudios de
maestría.

Agradecimientos

A mi asesor:
Dr. Adriano de Luca Pennacchia,
gracias por su confianza que ha de-
positado en mí, por su paciencia y
dedicación para dirigir este trabajo, y
principalmente por sus enseñanzas.

A mis profesores:
A ellos que a lo largo de estos años
de estudio,
siempre fueron punto
de apoyo para lograr terminar la
maestría.

Agradezco al Centro de Investigación
y de Estudios Avanzados del Instituto
Politécnico Nacional por brindarme
la formación y las herramientas
suficientes durante mis estudios de
maestría.

Gracias al Consejo Mexiquense de
Ciencia y Tecnología por el apoyo
económico para sustentar los últimos
meses para el termino de esta tesis.

Agradecimientos

IX

Sofía Reza:
Gracias por tu apoyo, por tus sabios
consejos, por hacer del Departamento
de Computación un mejor lugar y
porque cada mañana nos recibes con
una calurosa sonrisa.

A mis amigos:
Agradezco a todos mis amigos de la
maestría, que siempre estuvieron ahí
para tenderme la mano, por la amistad
que siempre me brindaron, por esos
todos esos momentos que pasamos
juntos estudiando y desvelándonos
para entregar los trabajos a tiempo,
por lar tardes interminables de quake,
ping pong, ajedrez, etc. Les agradezco
infinitamente, mencionarlos
sería
poco, aun así, gracias Ray, Gox, July,
Lil, Ana, Pam, Pau, Jhony, Beto,
Migue, Karman y como olvidar a mis
amigos y queridos vecinos Christian
y Madai, y los que me faltaron por
mencionar igual muchas gracias.

X

Contenido

Resumen

Abstract

Agradecimientos

Índice de Figuras

Índice de Tablas

1 Antecedentes, motivación, objetivos y metodología

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1.1 Antecedentes
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Planteamiento del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 Motivación del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4 Objetivos .
1.4.1 Objetivos generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.2 Objetivos particulares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5 Metodología .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.6 Contenido de los capítulos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2 Fotopletismografía y hardware del dispositivo de medición

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2.1 Pletismografía .
. . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Fotopletismografía (photoplethysmography)
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Técnicas de captura .
Señal característica de la foto-pletismografía . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4
2.5
Implementación y hardware de la captura de la señal fisiológica . . . . .
2.6 Hardware del dispositivo de medición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6.1 Microcontrolador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6.2 Oscilador y frecuencia de operación . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6.3 Alimentación del MC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 Módulo de transmisión USB 2.0

3.1 Protocolo USB .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Diseño del módulo de transmisión USB . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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XI

III

V

VII

XIV

XVII

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5
6
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6
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9
9
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11
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13
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15
15
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XII

CONTENIDO

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3.3 FirmWare .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1 WinUSB . .
3.2.2
Java Native Interface (JNI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.3 Esquema final del módulo de transmisión USB . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.1 Estructura del FW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.2 El FW en la estructura lógica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
picwinusb.c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.3
3.3.4
picwinusb.h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4 Controlador del dispositivo (archivo INF) . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Implementación de las funciones de transmisión (WinUSB y JNI)
. . . .
3.5
3.5.1 ComPPGDevice.cpp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.2 ComPPGDevice.h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.3 Conexion.h .
3.6 Control y recepción de los datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6.1 Control de la transmisión de datos . . . . . . . . . .