随着嵌入式系统、网络技术与自动控制技术的发展与成熟，信息物理融合系统(Cyber Physical System，CPS)这一术语被提出，被视为继计算机，互联网之后的又一重要里程碑。CPS在结构与行为方面的复杂性给研究工作带来诸多挑战。本文应对CPS在设计开发时存在的问题，对其中的关键技术进行研究，主要工作及成果包括:　　第一，CPS设计流程中从形式化验证到仿真测试，模型要经常反复修改甚至重建，增加了开发的复杂度并带来许多无用工作量。为了简化并加速设计流程，本文提出并设计了从CPS仿真模型到形式化验证模型的自动转化算法。本文分析了CPS仿真工具PtolemyⅡ的CT域仿真模型与形式化验证工具SpaceEx的验证模型的结构，定义了它们的抽象表示。通过分析两种模型的抽象表示之间的关联与对应关系，本文具体实现并介绍了从PtolemyⅡ仿真模型到SpaceEx验证模型的自动转化算法。在两个验证案例中，该算法分别把单ModalModel和多ModalModel交互的PtolemyⅡ仿真模型成功地自动转化成相应的SpaceEx验证模型，生成的形式化验证模型通过了SpaceEx的验证，说明提出的自动化转化算法是正确、有效的。　　第二，CPS仿真测试要求能对系统物理、计算过程与网络通信进行真实细粒度的模拟，针对现存仿真工具的不足，本文设计了一种协同仿真工具NCCPIS。首先，本文设计了协同仿真框架——把PtolemyⅡ作为主仿真器，负责CPS的物理动态与计算过程的仿真;NS-2作为从仿真器，负责模拟真实详细的网络通信。在该框架的作用下，协同仿真存在的进程通信、事件协调以及网络结点关联等问题得到了解决。然后针对两种仿真器的数据与时间的同步问题，本文在开发了一套同步命令的基础上，结合PtolemyⅡ仿真原理，提出了“主从协同，乐观向前，错失回滚”的同步机制。实验结果表明该工具对数据和时间的同步达到了协同仿真的精度要求。进一步地，通过一个车队跟随控制系统综合案例的仿真实验，NCCPIS的有效性和正确性得到了更全面的验证。　　第三，CPS紧耦合集成是改善传统网络控制系统性能的有效途径，为了研究这种集成的具体实现手段，针对无线网络控制环境，本文提出了一种紧耦合自适应控制方法。本文首先对NCS紧迫度、采样/控制周期、网络拥塞度以及网络QoS进行了定义和实现，把它们作为系统物理过程、计算过程以及网络通信的参量。然后，文中就简单决策和模糊控制两种不同方式对紧耦合控制方法进行了具体实现，它们根据NCS紧迫度和网络拥塞情况，对系统的采样/控制周期和网络通信优先级进行自适应调节，达到了CPS集成要求的信息与物理世界的紧耦合。实验结果分析表明，紧耦合方法通过实时动态自适应调节，使得系统能视网络拥塞情况按需通信，多个系统之间也得到了更紧密的协调，因此有效地利用了有限的网络资源，整体上改善了系统的控制性能。　　第四，实时网络通信是CPS亟需解决的运行支撑技术之一，针对大部分CPS应用所需，本文设计了一种具有实时性的、拓扑透明的、支持分布式编码分配与更新的无线网络MAC层调度协议。利用有限域生成编码，每个结点以不同编码按时隙通信，本协议实现了拓扑透明功能;通过将每帧划分为NDF、RDF和CF三个阶段，每个阶段设计不同的通信调度行为，并且在较小开销的帮助下，本文实现了分布式编码分配与更新机制;采用按概率与CSMA/CA相结合的方式，在保证实时性的前提下，空闲时隙得到了有效的利用。本文还通过有效性理论分析对协议的可靠实时性进行了验证。仿真实验结果表明，在接收间隔指标方面，与已有工作中的PITTBS和TDMAHtp相比，本协议最大分别能改进46％和68％，其实时性表现是最好的;在吞吐量指标方面，本协议最大能比PITTBS改进32％;在所有情况下本协议对时隙的利用率都是最高的，最大分别能比其他两种协议改进44％和22％。