2026 Make Blocks #1阶段1 - SPI Flash存储扩展模块设计

任务介绍

本次活动选择的是任务三。

设计一款SPI Flash存储扩展模块

任务要求：

1. 采用W25Q128或同类128Mbit SPI Flash
2. 标准SPI接口（CLK、MOSI、MISO、CS）
3. 支持3.3V供电
4. 包含写保护(WP)和保持(HOLD)引脚控制
5. 提供2.54mm排针接口
6. 板载0.1μF去耦电容

请注意：设计所用的主要器件需在DigiKey官网上有货且正常售卖

方案介绍

本设计采用Winbond（华邦）W25Q128JVEIQ作为核心存储芯片，这是一款128Mbit（16MB）串行NOR Flash存储器，属于SpiFlash®系列。该芯片支持标准SPI、双路SPI和四路SPI接口，最高时钟频率133MHz，工作电压2.7V~3.6V，完美适配3.3V系统。W25Q128JVEIQ采用WSON-8（8×6mm）封装，带有底部裸露焊盘，有利于散热和接地。模块整体资源框图如下：

模块介绍

本模块将W25Q128JV SPI Flash芯片的所有必要引脚通过2.54mm标准间距排针引出，方便开发者使用杜邦线连接至Arduino、STM32、ESP32等主流开发板。模块具备以下功能特性：

• 大容量存储：128Mbit（16MB）NOR Flash存储空间，适用于存储字库、图片资源、配置文件、OTA固件升级包等
• 高速读写：支持最高133MHz SPI时钟频率，单线、双线、四线SPI模式可选，满足不同速率需求
• 硬件写保护：通过/WP引脚可硬件锁定状态寄存器，防止意外擦除关键数据
• 通信保持：/HOLD引脚允许主控在不释放片选的情况下暂停SPI通信，适用于多任务系统或总线共享场景
• 即插即用：标准2.54mm排针接口，兼容面包板和各类开发板

W25Q128JVEIQ芯片DigiKey链接：W25Q128JVEIQ Winbond Electronics | 存储器 | DigiKey

原理图和PCB模块介绍

原理图

原理图围绕 W25Q128JVEIQ 设计，关键电路如下：

• 电源去耦：VCC 与 GND 之间并联 0.1μF 陶瓷电容，紧靠芯片引脚放置，滤除高频噪声。
• 电源指示：3.3V 与 GND 之间串联 LED 和 10k限流电阻，用于指示模块是否供电。
• 热焊盘：芯片底部 EP 直接接地，兼顾散热与电气连接。

PCB

PCB 采用双层板设计，尺寸紧凑，布局遵循以下原则：

• 排针：采用 1×8 单排 2.54mm 间距排针，引脚顺序为 3.3V、HOLD、CLK、MOSI、WP、MISO、CS、GND。信号定义清晰，便于直插面包板或杜邦线连接。
• 去耦电容：0.1μF 电容紧贴芯片 VCC 引脚放置，缩短回流路径，保证退耦效果。
• 信号走线：SPI 时钟线尽量短直，远离其他高速或模拟信号。

PCB渲染图

模块主要性能指标和管脚定义

主要性能指标

管脚定义

W25Q128JVEIQ芯片引脚（WSON-8封装）：

2.54mm排针接口定义（1×8单排，8Pin）：

板上设置及标识

• 电源指示灯：在VCC与GND之间并联LED+限流电阻，指示模块供电状态
• 丝印标识：
• • 引脚功能标注：排针旁标注CS、MISO、WP、GND、3.3V、SCK、MOSI、HOLD

心得体会

本次SPI Flash存储扩展模块的设计实践，让我深入理解了以下关键技术点：

硬件写保护与保持功能的价值：/WP和/HOLD引脚看似“冗余”，实则在嵌入式系统中具有重要意义。/WP可防止程序跑飞或静电干扰时误擦除关键数据，提供硬件级别的安全保障；/HOLD则让主控在不释放片选的情况下暂停通信，适用于多任务系统或总线共享场景。这种“带外控制信号”的设计思路值得借鉴。