使用ESP32+ELAN触摸板打造Windows精确式触摸板设备

bblueice · 发表于 5 小时前

本帖最后由 bblueice 于 2025-12-27 15:11 编辑

观前提醒：作者不是计算机专业的。所以以下有什么涉及到专业错误的请指出来，作者虚心接受一切批评。

之前开发的ESP32 HID设备都是通过HID通信控制硬盘盒控制中心什么的。但其实这些只是进行简单的通信，并没有完全掌握HID设备的相关开发。

正好最近无聊，于是打算做一些进阶的东西来打发时间。

三年前刚上大学的时候从笔记本换到台式机主力，突然从触摸板+鼠标转到纯鼠标的我在面对部分场景时显得有些吃力。

之前都是鼠标配合触摸板使用的，只有纯鼠标后在桌面上划拉半天才想起来我已经没有触摸板（悲。心想要是在台式机上能用上触摸板多好啊。

暑假开始整HID玩后，这个愿望就显得越发强烈了……

于是这个计划便也提上日程了（喜。

目前已经完成：

硬件：

PCB设计
材料选型

软件：

Microsoft精确式触摸板握手
ELAN TouchPad驱动
从Mouse Mode (仅支持单指) 切换到Absolute Mode (支持多指), 感谢@ApprehensiveAnt9858
单指触摸支持
多指滑动手势支持
物理按键支持（左键 & 右键）

未完成的：

外壳设计 (SOLIDWORKS建模)
为后续的蓝牙支持添加电池（蓝牙无线模式下指纹模块不可用）
多指Tap手势支持（技术力有限暂时做不出来 ╥﹏╥）

网上已经有老哥尝试过了，他参考了外国大神的支持，使用的是ESP32+Synatics触摸板（P/S2协议）。

但是P/S2总感觉有一点小膈应……说不上来为什么，并且他的支持最高只有3指，最重要的是，他的多指手势并不是原生的，缺失了很多我想要的手势（要知道Windows原生支持的精确式触摸板功能是很完善的）。当然他用的也不是我们文章所使用到的USB HID技术栈。

叠个甲。这位老哥的思路是很好的，我没有批判这位老哥的意思，我只是觉得他的方案有太多局限性，如果再深入一点的话表现会更好（

所以我打算基于原生的HID触摸板，通过ESP32，造一个移动精确式触摸板设备，来满足自己的日常需要。

首先之一当然是要挑一块合适的触摸板啦。

根据Windows文档可以确定，主要的Windows精确式触摸板可以通过四种总线类型与主机进行连接：

USB HID
I2C HID
SPI HID
第三方私有HID设备

无论是USB HID还是第三方私有HID设备，都好像不符合我的DIY之魂……

那么接下来就只剩下I2C HID和SPI HID类型的精确式触摸板了。

其实这两类在笔记本上很常见，但找到一块合适的触摸板有点难，需要找到合适的。

通过一篇老文章，我得知了来自ELAN Technology的触摸板能够支持标准的Microsoft HID over I2C Protocol：

选择范围瞬间缩小了不少。

查阅了大量包括笔记本图纸在内的资料后，我最终选择了板号Rev.A S8974A的触摸板：

这个触控板使用了ELAN 33370A作为触摸板主控，适用于R9000X 2021R/2022、小新Pro14、ThinkBook14 G4+，采用I2C HID协议。

与笔记本连接的定义如下：

插个题外话：感觉如果纯触摸板的话有点浪费了，于是我又购入了一个HP的指纹模块FM3483/3633，它可以通过USB总线提供Fingerprint for Windows Hello支持：

沟通触摸板和电脑USB HID的硬件依旧是我们的老熟人，ESP32-S2FN4R2。

ESP32-S2和指纹模块通过来自Microchip的USB2513B连接在同一块板子上：

硬件讲完了接下来就要到软件实现了，首先是多指识别。

在Windows体系里，多指手势并不是由应用或者触摸板硬件直接“声明”出来的，而是系统基于底层触点数据自动识别的。

也就是说，精确式触摸板只会上报原始触控数据：

当前有多少个手指
每个手指的唯一ID、X/Y坐标、是否接触、是否抬起
时间连续的多帧数据

假如我做了一个三指触摸，从逻辑层面来说是这样的：

第一帧：3个触点，位置A/B/C
第二帧：3个触点，整体向上移动
第三帧：3个触点，继续向上
第四帧：全部抬起

当原始触控数据上报到系统后，Windows的精确式触摸板驱动会：

解析HID报告
把每个触点转换成内部的指针对象
将这些指针数据送入到Input堆栈

系统就会知道：

同一时间存在N个指针
他们的运动轨迹和生命周期

最后系统会通过非公开的手势识别引擎判断多指触控类型。

接下来是触摸板的通信相关了。

HID通信在网上有很多文章，基本原理就是大差不差。所以这里主要分析的是I2C通信。

根据Windows精确式触摸板——设备总线连接定义，如果设备通过I2C连接到Host，至少需要5个引脚：

数据脚（SDA）
时钟脚（SCL）
中断脚（INT）
电源脚（VCC）
接地脚（GND）

同时手册中建议至少使用400KHz的I2C始终速度且应独享一个I2C控制器，不然可能会导致I2C总线端超量。最后在设备开发中我使用了800KHZ作为通信基准速度。

另外手册中也提到了Touchpad I2C Over USB这一情况：

如果决定使用某个 USB 桥将 I²C Windows 精确式触摸板连接到其 Windows 主机，则该桥应使用设备的独特属性（wVendorID、wProductID、wVersionID）将触摸板公开为独特的设备节点。

所以最后开发的时候，我们需要在USB描述符中声明HID TouchPad和Multi-Touch。

这里要注意的是不要尝试去伪装原有的ELAN触摸板，不然的话可能会加载错误的驱动，最后进入错误的设备路径导致设备无法被识别。

我们需要让Windows相信，这是一个USB HID Touchpad，不是笔记本内建的触摸板，以此来防止驱动栈误判。

感谢前辈们的辛勤付出，在开发中间层的时候，我们在开发的时候可以参考Linux源码部分hid-elan.c来开发中间层。

所以我们在开发的时候可以根据源码中的定义开发。

关于ELAN TouchPad，由于在这方面“几乎”没有人做过（我基本没查到），所以相关资料很少。

首先是地址确认，随便写了个地址程序，确定其ADDR为0x15（0x78那个不知道是什么，后续都是基于0x15开发的）：

理论上来说这时候直接读接收内容直接转译就行，但是这里开始就有大坑了。

根据一篇很老的参考资料可以得知，ELAN触摸板有两种运行方式，一种是Mouse Mode（仅支持单指，多指没数据，Report ID为0x01），另外一种是Absolute Mode（支持多指，Report ID为0x04）。

但是如果没有经过BIOS/EC的私有协商后，ELAN触摸板触摸板固件对MCU暴露的是Mouse Mode而不是Absolute Mode。

我们可以从raw data看到，它传来的数据基本就和鼠标没区别（xy位移而不是绝对坐标值），Report ID也是0x01：

后面多方查找后，我在Reddit论坛的一篇帖子上找到了一名网友 @ApprehensiveAnt9858 的解决方法，他通过抓取HID报文获得了这个诱骗代码：

int elan_i2c_write_payload(uint8_t addr, uint16_t reg, const uint8_t* data, size_t len) {
Wire.beginTransmission(addr);
Wire.write(reg & 0xFF); // LSB
Wire.write((reg >> 8) & 0xFF); // MSB
for (size_t i = 0; i < len; i++) {
Wire.write(data[i]);
}
return Wire.endTransmission();
}
elan_i2c_write_payload(I2C_ADDR, 0x0005, abs_mode_cmd, sizeof(abs_mode_cmd));
uint8_t abs_mode_cmd[] = {
0x33, 0x03, 0x06, 0x00,
0x05, 0x00, 0x03, 0x03,
0x00
};

复制代码

这个代码通过HID描述符读取让触摸板固件认为有一个完整Host，它可以作用于Vendor Feature Report，固件内部状态机识别后开启PTP Collection。

最后的效果如下：

让触摸板进入PTP Mode后就简单的多了，剩下的两个大坑，一个是逆向ELAN I2C HID数据转译到USB，另一个是严格按照Microsoft Precision Touchpad HID格式去写转译层就行。

文中的代码和参考资料我会放在项目末尾。

最后的可以成功模拟出精确触摸板：

实物/测试大概是这样：